An elastic-plastic finite element analysis of fatigue crack closure is performed for plane strain conditions. The stabilization behavior of crack opening level and the effect of mesh size on the crack opening stress are investigated. In order to obtain a stabilized crack opening level for plane strain conditions, the crack must be advanced through approximately four times the initial monotonic plastic zone. The crack opening load tends to increase with the decrease of mesh size. The mesh size nearly equal to the theoretical plane strain cyclic plastic zone size may provide reasonable numerical results comparable with experimental crack opening data. The crack opening behavior is influenced by the crack growth increment and discontinuous opening behavior is observed. A procedure to predict the most appropriate mesh size for different stress ratio is suggested. Crack opening loads predicted by the FE analysis based on the procedure suggested resulted in good agreement with experimental ones within the error of 5 %. Effect of the distance behind the crack tip on the crack opening load determined by the ASTM compliance offset method based on the load-displacement relation and by the rotational offset method based on the load-differential displacement relation is investigated. Optimal gage location and method to determine the crack opening load is suggested.
The leak-before-break (LBB) behaviors of a structural component under high and low fatigue loads are an important problem in nuclear power plants, liquid nitrogen gas tankers and chemical plants. This paper is an experimental study to evaluate the crack opening behavior after penetration for plate and pipe specimens. Crack opening displacement after penetration under low fatigue load could be satisfactorily determined at the center of the plate thickness regardless of the specimen size. In the case of high fatigue load, it is shown that the crack opening displacement at the center of a penetrated crack carl be derived using the gross stress, $\sigma$/sug G/, and the front surface crack length, a$\_$s/, together with the back surface crack length, a$\_$b/.
Crack closure and growth behavior of physically short fatigue cracks under random loading are Investigated by performing narrow- and wide-band random loading tests for various stress ratios. Artificially prepared two-dimensional, short through-thickness cracks are used. The closure behavior of short cracks under random loading is discussed, comparing with that of short cracks under constant-amplitude loading and also that of long cracks under random loading. Irrespective of random loading spectrum or block length, the crack opening load of short cracks is much lower under random loading than under constant-amplitude loading corresponding to the largest load cycle in a random load history, contrary to the behavior of long cracks that the crack opening load under random loading is nearly the same as or slightly higher than constant-amplitude results. This result indicates that the largest load cycle in a random load history has an effect to enhance crack opening of short cracks.
Crack closure and growth behavior of physically short fatigue cracks under random loading are investigated by performing narrow- and wide-band random loading tests for various stress ratios. The importance of the crack closure phenomenon is examined by predicting the growth lives of short cracks using obtained crack opening behavior. Artificially prepared two-dimensional, short through-thickness cracks are used. The crack opening load of short cracks is much lower under random loading than under constant-amplitude loading corresponding to the largest load cycle in a random load history. This result indicates that the largest load cycle in a random load history has an effect to enhance crack opening of short cracks. Most of the life prediction ratios are within the factor of 2 scatter band except several data at very short crack sizes, indicating that crack growth predictions based on the measured crack opening data are excellent. From the results obtained in this study, it can be concluded that crack closure is the primary factor governing fatigue crack growth of short cracks under random loading as well as under constant-amplitude loading.
International Journal of Concrete Structures and Materials
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v.11
no.2
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pp.365-375
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2017
An experimental evaluation of crack propagation and post-cracking behavior in steel fiber reinforced concrete (SFRC) beams, using full-field displacements obtained from the digital image correlation technique is presented. Surface displacements and strains during the fracture test of notched SFRC beams with volume fractions ($V_f$) of steel fibers equal to 0.5 and 0.75% are analyzed. An analysis procedure for determining the crack opening width over the depth of the beam during crack propagation in the flexure test is presented. The crack opening width is established as a function of the crack tip opening displacement and the residual flexural strength of SFRC beams. The softening in the post-peak load response is associated with the rapid surface crack propagation for small increases in crack tip opening displacement. The load recovery in the flexural response of SFRC is associated with a hinge-type behavior in the beam. For the stress gradient produced by flexure, the hinge is established before load recovery is initiated. The resistance provided by the fibers to the opening of the hinge produces the load recovery in the flexural response.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.18
no.2
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pp.271-277
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1994
The fatigue crack opening behavior is analyzed using finite element method. Because extremely fine mesh subdivision is required when using constant stress constant strain triangular element, this study uses conventional two dimensional eight node isoparametric elements. Since plasitc zone size is similar to crack propagating length per each load cycle because of relatively large element size, a new analysis model that a crack propagates every two load cycle is suggested. the opening load and crack opening displacement can be obtained accurately by this method.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.8
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pp.1493-1502
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1992
The purpose of this study is to identify the effects of loading variables on fatigue crack opening behavior, using structural steel SS41. To use various stress ratios, three kinds of the methods varying stress ratio were used; .DELTA.P const., P$_{max}$ const., and P$_{min}$ const.. To measure the opening load, the direct measuring method which measures the distance between two micro indentations 20 .mu.m behind crack tip and the elastic compliance method were used. As the results of present study, the following conclusions are obtained. First, using the direct measuring method, it was possible to measure the COD at any location behind crack tip. Second, as measuring point becomes farther from crack tip, opening load becomes smaller. Third, the acceleration of da/dN near notch is due to crack opening behavior. Finally, opening ratio is a function of not only R, but .DELTA.K.K.K.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.9
s.180
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pp.2283-2291
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2000
The neural network method is applied to automatically measure the crack opening load under random loading. The crack opening results obtained are compared with the visual measured results. Fatigue crack growth under random loading is predicted using the crack opening data measured by the neural network method, and the prediction results are compared with experimental ones. It is found that the neural network method can be successfully applied to consistently measure the crack opening load under random loading and also gives some results different from the results by visual measurement.
The LBB behavior and the crack opening displacement after a crack penetrated wall thickness of statically indeterminate piping system were investigated in this study, compared with statically determinate piping system. The reduction of ultimate strength caused by a crack was relatively small in the statically indeterminate piping system. The statically indeterminate piping system has more safety margin for LBB behavior than the statically determinate piping system. The crack opening displacement could be evaluated by using the plastic rotation angle proposed to evaluate the crack opening displacement after crack penetration in pipe with a non-penetrating crack.
An automated system is developed to perform fatigue crack growth tests under constant effective stress intensity factor range ${\Delta}K_{eff}$. In the system, crack length and crack opening load are measured in real-time by using the unloading elastic compliance method. The system consists of two personal computers, an analogue electrical subtraction circuit, a stepping motor, a stepping motor driver, a PIO board, and the application software used to integrate the whole system. The performance of the developed system was tested and discussed performing constant ${\Delta}K_{eff}$ crack growth tests on a CT specimen of 7075-T6 aluminum alloy. The performance of the system is found to be strongly dependent on the accuracy of measurements of crack opening load. Besides constant ${\Delta}K_{eff}$ testing, the system is expected to be successfully applied for automation of various fatigue tests.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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