Fiber Bragg grating (FBG) sensors are applied to structural health monitoring (SHM) in many areas due to their unique advantages such as ease of multiplexing and capability of absolute measurement. However, they are exposed to cyclic thermal load, generally in the temperature range of $-20^{\circ}C$ to $60^{\circ}C$, in railways during a long-term SHM and the cyclic thermal load can affect the mechanical strength of FBGs. In this paper, the effects of both cyclic thermal load and the reflectivity of FBGs on the mechanical strength are investigated though tension tests of FBG specimens after they are aged in a thermal chamber with temperature changes in a range from $-20^{\circ}C$ to $60^{\circ}C$ for 300 cycles. Results from tension tests reveal that the mechanical strength of FBGs decreases about 8% as the thermal cycle increases to 100 cycles; the mechanical strength then remains steady until 300 cycles. Otherwise, the mechanical strength of FBGs with reflectivity of 6dB (70%) and 10dB (90%) exhibits degradation values of about 6% and 12%, respectively, compared to that with reflectivity of 3dB (50%) at 300 cycles. SEM photos of the Bragg grating parts also show defects that cause their strength degradation. Consequently, it should be considered that mechanical strength of FBGs can be degraded by both thermal cycles and the reflectivity if the FBGs are exposed to repetitive thermal load during a long-term SHM.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.41
no.4
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pp.313-319
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2017
Fiber optics sensors that have been mainly applied to aerospace areas are now finding applicability in other areas, such as transportation, including railways. Among the sensors, the fiber Bragg grating (FBG) sensors have led to a steep increase due to their properties of absolute measurement and multiplexing capability. Generally, the FBG sensors adhere to structures and sensing modules using adhesives such as an epoxy. However, the measurement errors that occurred when the FBG sensors were used in a long-term application, where they were exposed to environmental thermal load, required calibration. For this reason, the thermal curing of adhesives needs to be investigated to enhance the reliability of the FBG sensor system. This can be done at room temperature through cyclic thermal load tests using four types of specimens. From the test results, it is confirmed that residual compressive strain occurs to the FBG sensors due to an initial cyclic thermal load. In conclusion, signals of the FBG sensors need to be stabilized for applying them to a long-term SHM.
Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing
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v.36
no.3
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pp.225-230
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2016
Fiber Bragg grating (FBG) sensors are currently the most prevalent sensors because of their unique advantages such as ease of multiplexing and capability of performing absolute measurements. They are applied to various structures for structural health monitoring (SHM). The signal characteristics of FBG sensors under thermal loading should be investigated to enhance the reliability of these sensors, because they are exposed to certain cyclic thermal loads due to temperature changes resulting from change of seasons, when they are applied to structures for SHM. In this study, tests on specimens are conducted in a thermal chamber with temperature changes from -$20^{\circ}C$ to $60^{\circ}C$ for 300 cycles. For the specimens, two types of base materials and adhesives that are normally used in the manufacture of packaged FBG sensors are selected. From the test results, it is confirmed that the FBG sensors undergo some degree of compressive strain under cyclic thermal load; this can lead to measurement errors. Hence, a pre-calibration is necessary before applying these sensors to structures for long-term SHM.
A magnet supporting post installed between the lower TF coil tooled by 4.5 K supercritical helium and the cryostat base is one of the most important components of the superconducting magnet supporting structure for KSTAR Tokamak. This structure should be flexible to absorb thermal shrink of the magnet and also should be rigid to support the magnet weight and the Plasma disruptions load. The Post was designed with stainless steel 316LN and CFRP that have low thermal conductivity and high structural strength at low temperature. In order to verify the possibility of fabrication and the structural safety. a whole scale prototype of the KSTAR magnet supporting post was manufactured and tested. Static and compressive cyclic load tests under the maximum Plasma vertical disruption load and the magnet dead weight were performed. The teat results showed that the magnet supporting post of KSTAR Tokamak was possible to manufacture and structurally rigid.
Kim, Kyoung-Yul;Hong, Sung-Yun;Kim, Dae-Hong;Lee, Dae-Soo
Proceedings of the Korean Geotechical Society Conference
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2004.03b
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pp.730-737
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2004
In this paper, in order to examine cyclic hehavior characteristics and safety of underground flexible pipes for electric cables subject to cyclic vehicle load, FEM analysis and cyclic soil box test were carried out. As results of the test, it was revealed that the vertical displacement of the test was larger than that of FEM analysis because thermal effect arising from power cables made reduction of rigidity of the pipe so that large deformation of the pipe induced by the heat occured. Moreover, it was shown that the final vertical displacement under about 0.4 million times of the cyclic load test was not satisfied with elastic allowable displacement of the pipe, and long term stability of the pipe was not stable since behavior characteristics of the pipe exists plastic strain range pasted clastic strain range.
In this study, two types of fatigue tests were conducted. First, cyclic bending tests were performed using the micro-bending tester. A four-point bending test method was adopted, because it induces uniform stress fields within a loading span. Second, thermal fatigue tests were conducted using a pseudo power cycling machine which was newly developed for a realistic testing condition. The pseudo-power cycling method makes up for the weak points in a power cycling and a chamber cycling method. Two compositions of solder are tested in all test condition, one is lead-free solder (95.5Sn4.0Ag0.5Cu) and the other is eutectic lead-contained solder (63Sn37Pb). In the cyclic bending test, the solder that exhibits a good reliability can be reversed depending on the load conditions. The lead-contained solders have a longer fatigue life in the region where the applied load is high. On the contrary, the lead-free solder sustained more cyclic loads in the small load region. A similar trend was detected at the thermal cycling test. A three-dimensional finite element analysis model was constructed. A finite element analysis using ABAQUS was performed to extract the applied stress and strain in the solder joints. A constitutive model which includes both creep and plasticity was employed. Thermal fatigue was occurred due to the creep. And plastic deformation is main damage for bending failure. From the inelastic energy dissipation per cycle versus fatigue life curve, it can be found that the bending fatigue life is longer than the thermal fatigue life.
The beams components subjected to the loading such as axial, bending and cyclic thermal loads were studied in this research. The used constitutive equations are those of elasto-plasticity coupled to ductile and/or creep damage. The nonlinear kinematic hardening behavior was considered in elastoplasticity modeling. The unified damage law proposed for ductile failure and fatigue by the author of Sermage et al. (2000) and Kachanov's creep damage model applied to cyclic creep and low cycle fatigue of beams. Based on the results of the analysis, the shakedown limit loads were determined through the calculation of the residual strains developed in the beam analysis. The iterative technique determines the shakedown limit load in an iterative manner by performing a series of full coupled elastic-plastic and continuum damage cyclic loading modeling. The maximum load carrying capacity of the beam can withstand, were determined and imposed on the Bree's interaction diagram. Comparison between the shakedown diagrams generated by or without creep and/or ductile damage for the loading patterns was presented.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2001.10a
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pp.111-115
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2001
Thermo-acoustic emission (AE) from composite laminates under the repetitive thermal cyclic loads have been quantitatively analyzed in consideration of AE source mechanisms. The repetitive thermal load brought about a large reduction, i.e. an exponential decrease in AE total ringdown counts and AE amplitudes. It was thought that generation of thermo-AE during the first thermal cycle was not caused by crack propagation but by secondary microfracturing due to abrasive contact between crack surfaces.
Kaiser effects of thermo-acoustic emission (AE) from composite laminates under the repetitive thermal cyclic loads have been quantitatively analyzed in consideration of AE source mechanisms. The repetitive thermal load brought about a large reduction. i.e. an exponential decrease in AE total ringdown counts and AE amplitudes. It was thought that generation of thermo-AE during the first thermal cycle was not caused by crack propagation but by secondary microfracturing due to abrasive contact between crack surfaces. For the repetitive thermal cycles, a few number of weak thermo-AE events were generated due to some frictional sliding contact. Such behavior of thermo-AE showed different characteristics according to specimen kinds and the maximum temperature in the thermal load cycles.
Rubber hose assembly for automotive hydraulic brake during operation is subject to combined stresses of cyclic pressure, cyclic bending and torsion as well as thermal load. The rubber hose is composed of ethylene-propylene diene monomer(EPDM) rubber layers reinforced by polyvinyl acetate(PVA) braided fabrics. A durability tester with loading rigs for inducing the above cyclic stresses was used to investigate failure mechanisms in the rubber hose assembly. Failure examination was performed at every 100 thousands cycles of bending and torsion. Hose samples were sectioned with a diamond-wheel cutter and then polished. The polished surface was observed by optical microscope and scanning electron microscope (SEM). Some interfacial delamination with a length of about 1mm along the interface between EPDM rubber and PVA fabrics was shown at the test cycles of 400,000. The delamination induced some cracking into the outer rubber skin layer to leading the final rupture of the hose.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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