In this paper, three-dimensional finite element method is used to analyze the J integral for repaired cracks in plates with bonded composite patch and stiffeners. For elastic the effect of cracks, the thickness of the patch ($e_r$) and properties of the patch are presented for calculating the J integral. For elastic-plastic a several calculations have been realized to extract the plasticized elements around the crack tip of repaired and un-repaired crack. The obtained results show that the presence of the composite patch and stiffener reduces considerably the size of the plastic zone ahead of the crack. The effects of crack size and the inter-distance of repaired cracks were analysed.
Caustics method has been applied successfully to determine the fracture parameters such as stress intensity factor and the J-integral for elastic and/or elastic-plastic stress field around the crack tip. For stress fields at the vicinity of crack tip in the creep domain, no experimental report concerning fracture mechanics parameters by using the caustics method has been published up to date. This study investigated creep behavior at the vicinity of crack tips at high temperature($175^{\circ}C$) and attempted to determine of proper fracture parameters for A1 5086 H24 specimens by using the caustics method. The results obtained from the limited experimental investigation are as follows; $J_{th}/J_{caus}$ is found to approach to 1 more rapidly than $K_{th}/K_{caus}$ does during incipient period(within 80 minutes). It is confirmed that experimental $K_{caus}$ approached to theoretical $K_{th}$ after 80 minutes by analyzing the ratio of $K_{th}$ to $K_{caus}$. Unlike the case of room temperature, it is confirmed experimentally that caustics diameter enlarged gradually even the distance between specimen and screen keeps constant. It showed that initial curve of the caustics was initially located in the plastic zone, but it grew out rapidly into the elastic zone for Al 5086 H24 at $175^{\circ}C$. It is confirmed that caustics is a function of time, temperature and distance between specimen and screen at high temperature.
Generally, fracture of a material is influenced by plastic zone size developed near the crack tip. Hence, according to the relative size of plastic zone in the material, the mechanics as a tool for analyzing the fracture process are classified into three kinds, that is, Linear Elastic Fracture Mechanics, Elastic Plastic Fracture Mechanics, Large Deformation Fracture Mechanics. Even though the plastic zone size is such an important parameter, the practical measurement techniques are very limited and the one for in-situ measurement is not virtually available. Therefore, elastic-plastic FEA has been performed to estimate the plastic zone size. In this study, it is noticed that side necking at the surface is a consequence of plastic deformation and lateral contraction and the relation between the plastic zone and side necking is investigated. FEA for modified boundary layer models with finite thickness, various mode mixities $0^{\circ}$, $30^{\circ}$, $60^{\circ}$, $90^{\circ}$ and strain hardening exponent n=3, 10 are performed. The results are presented and the implication regarding to application to experiment is discussed.
Long Tan;Songyang Li;Liangyin Zhao;Lulu Wang;Xiuxiu Zhao
Nuclear Engineering and Technology
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제55권11호
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pp.4112-4119
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2023
This study employs the microshear test method to examine the local mechanical properties of narrow-gap welded joints, revealing the mechanical inhomogeneity by evaluating the microshear strength, stress-strain curves, and failure strain. On this basis, the influence of weld joints micromechanical inhomogeneity on the crack tip opening displacement (CTOD) fracture toughness is investigated. From the root weld layer to the cover weld layer, the fracture toughness at the center of the weld seam demonstrates an increasing trend, with the experimental and calculated CTOD values showing a good correspondence. The microproperties of the welded joints significantly impact the load-bearing capacity and fracture toughness. During the deformation process of the "low-matching" microregions, the plastic zone expansion is hindered by the surrounding microregion strength constraints, thus reducing the fracture toughness. In contrast, during the deformation of the "high-matching" microregions, the surrounding microregions absorb some of the loading energy, partially releasing the concentrated stress at the crack tip, which in turn increases the fracture toughness.
Delayed hydride cracking (DHC) is an important failure mechanism for Zircaloy tubes in the demanding environment of nuclear reactors. The threshold stress intensity factor, $K_{IH}$, and critical hydride length, $l_C$, are important parameters to evaluate DHC. Theoretical models of them are developed for Zircaloy tubes undergoing non-homogenous temperature loading, with new stress distributions ahead of the crack tip and thermal stresses involved. A new stress distribution in the plastic zone ahead of the crack tip is proposed according to the fracture mechanics theory of second-order estimate of plastic zone size. The developed models with fewer fitting parameters are validated with the experimental results for $K_{IH}$ and $l_C$. The research results for radial cracking cases indicate that a better agreement for $K_{IH}$ can be achieved; the negative axial thermal stresses can lessen $K_{IH}$ and enlarge the critical hydride length, so its effect should be considered in the safety evaluation and constraint design for fuel rods; the critical hydride length $l_C$ changes slightly in a certain range of stress intensity factors, which interprets the phenomenon that the DHC velocity varies slowly in the steady crack growth stage. Besides, the sensitivity analysis of model parameters demonstrates that an increase in yield strength of zircaloy will result in a decrease in the critical hydride length $l_C$, and $K_{IH}$ will firstly decrease and then have a trend to increase with the yield strength of Zircaloy; higher fracture strength of hydrided zircaloy will lead to very high values of threshold stress intensity factor and critical hydride length at higher temperatures, which might be the main mechanism of crack arrest for some Zircaloy materials.
Aluminum 5052/Aramid Fiber Reinforced Plastic(Al5052/AFRP) laminates are applied to the fuselage-wing intersection. The Al5052/AFRP laminates suffer from the cyclic bending moment of variable amplitude during the service. Therefore, the influence of cyclic bending moment on the delamination and the fatigue crack propagation behavior in Al5052/AFRP laminate was investigated in this study. Al5052/AFRP laminate composite consists of three thin sheets of Al5052 and two layers of unidirectional aramid fibers. The cyclic bending moment fatigue tests were performed with five different levels of bending moment. The shape and size of the delamination zone formed along the fatigue crack between Al5052 sheet and aramid fiber-adhesive layer were measured by an ultrasonic C-scan. The relationships between da/dN and ΔK, between the cyclic bending moment and the delamination zone size, and between the fiber bridging mechanism and the delamination zone were studied. Fiber failures were not observed in the delamination zone in this study. It represents that the fiber bridging modification factor should turn out to increase and that the fatigue crack growth rate should decrease. The shape of delamination zone turns out to be semi-elliptic with the contour decreased non-linearly toward the crack tip.
This study investigated a method for the determination of the J-integral for a tough glassy polymer such as polycarbonate plates by using the method of caustics. Comparing the values of J-integral determined by a numerical analysis and by the method of caustics, the method of caustics was found to be an effective experimental technique for the determination of the J-integral. The ratio between two J-integrals determined by the method of caustics and by finite element method converged into 1 within the limit of low load. However, it was noticed that the greater the plastic zone at the crack tip was, the lower the J-integral obtained by the reflect method of caustics. This difference may be deduced from the damage at the crack tip such as craze appeared in the polycarbonate plate. It was confirmed that the ratio of longitudinal diameter( $D_{l}$ ) to transverse diameter ( $D_{t}$) of caustics generally converged into 1 at the low load. The transition of the state of stress at the vicinity of a crack tip from plane strain to plane stress was deduced by noticing that the longitudinal diameter( $D_{l}$ ) grew faster than the transverse diameter( $D_{t}$) of caustics within the higher load range.
The lightness of components required in automobile and machinery industry is requiring high strength of components. In particular manufacturing process and new materials development for solving the fatigue fracture problem attendant upon high strength of suspension of automobile are actively advanced. In this paper, the effect of compressive residual stress of spring steel(JISG SUP-9) by shot-peening on fatigue crack growth characteristics in high temperatures($100^{\circ}$, $150^{\circ}$, $180^{\circ}$) was investigated with considering fracture mechanics. So, we can obtain followings. (1)Compressive residual stress decreases in high temperature, that is, with increasing temperature. (2)The effect of compressive residual stress on fatigue crack growth behavior in high temperature increases below ${\Delta}K=17{\sim}19MPa$ (3)It was investigated by SEM that the constraint of compress residual stress for plastic zone of fatigue crack tip was decreased in high temperature as compared with room temperature.
The lightness of components required in automobile and machinery industry is requiring high strength of components. In particular, manufacturing process and new materials development for solving the fatigue fracture problem attendant upon high strength of suspension of automobile are actively advanced. In this paper, the effect of compressive residual stress of spring steel(JISG SUP-9) by shot-peening on fatigue crack growth characteristics in high temperatures($100^{\circ}C$, $150^{\circ}C$, $180^{\circ}C$) was investigated with considering fracture mechanics. So, we can obtain followings. (1)Compressive residual stress decreases in high temperature, that is, with increasing temperature. (2)The effect of compressive residual stress on fatigue crack growth behavior in high temperature increases below $\Delta$K=17~19MPa (3)It was investigated by SEM that the constraint of compressive residual stress for plastic zone of fatigue crack tip was decreased in high temperature as compared with room temperature.
The paper addresses an application of molecular dynamics technique for fracture mechanics. Molecular dynamics simulation is an atomistic approach, while typical numerical methods such as finite element methods are macroscopic. Using the potential functions, which express the energy of a molecular system, a virtual specimen with molecules is set up and the trajectory of every molecule can be calculated by Newton's equation of motion. Several three-dimensional models with various types of cracks are considered. The stress intensity factors, the sizes of plastic zone as well as the dislocation emission are sought to be compared with the analytical solutions, which result in good agreement.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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