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.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.28
no.5
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pp.524-531
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2004
To investigate relevance of the definition of the reference stress to estimate J and $C^{*}$ for surface crack problems, this paper compares FE J and $C^{*}$ results for surface cracked pipes with those estimated according to the reference stress approach using various definitions of the reference stress. Pipes with part circumferential inner surface crack and finite internal axial crack are considered, subject to internal pressure and global bending. The crack depth and aspect ratio are systematically varied. The reference stress is defined in four different ways using (i) the local limit load, (ii) the global limit load, (iii) the global limit load determined from the FE limit analysis, and (iv) the optimized reference load. It is found that the reference stress based on the local limit load gives overall excessively conservative estimates of J and $^{*}$. Use of the global limit load clearly reduces the conservatism, compared to that of the local limit load, although it can provide sometimes non-conservative estimates of J and $^{*}$. The use of the FE global limit load gives overall non-conservative estimates of J and $^{*}$. The reference stress based on the optimised reference load gives overall accurate estimates of J and $^{*}$, compared to other definitions of the reference stress. Based on the present finding, general guidance on the choice of the reference stress for surface crack problems is given.
Kim, Kyung-Su;Shim, Chun-Sik;Kwon, Young-Bin;Ko, Hee-Seung;Ki, Hyeok-Geun;Viswanathan, K.K.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.45
no.6
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pp.679-687
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2008
The fatigue life of ship structure under cyclic loading condition is made up of crack initiation and propagation stages. For a welding member in ship structure, the fatigue crack propagation life is more important than the fatigue crack initiation life. To calculate precisely the fatigue crack propagation life at the critical welding location, the knowledge of the residual stress sensitivity on the fatigue strength is necessary. In this study, thermo elastic-plastic analysis was conducted in order to examine the effect of residual stress on the fatigue crack propagation life. Also the fatigue crack propagation lives considering residual stress were calculated using fatigue crack growth code, AFGROW, on the basis of fracture mechanics. AFGROW is widely used for fatigue crack growth predictions under constant and variable amplitude loading. The reliability of AFGROW on the fatigue of ship structure was confirmed by the comparison of the estimated results with the fatigue propagation test results.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.24
no.5
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pp.219-232
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2020
The slip-weakening model developed by Ohnaka and Yamashita is extended over the breakdown zone by equating the scaling relationships for the breakdown zone and the whole rupture area. For the extension, the study uses the relationship between rupture velocity and radiation efficiency, which was derived in the theory of linear elastic fracture mechanics, and the definition of fmax given in the specific barrier model proposed by Papageorgiou and Aki. The results clearly show that the extended scaling relationship is governed by the ratio of rupture velocity to S wave velocity, and the velocity ratio can be determined by the ratio of characteristic frequencies of a Fourier amplitude spectrum, which are corner frequency, fc, and source-controlled cut-off frequency, fmax, or vice versa. The derived relationship is tested by using the characteristic frequencies extracted from previous studies of more than 130 shallow crustal events (focal depth less than 25 km, MW 3.0~7.5) that occurred in Japan. Under the assumption of a dynamic similarity, the rupture velocity estimated from fmax/fc and the modified integral timescale give quite similar scale-dependence of the rupture area to that given by Kanamori and Anderson. Also, the results for large earthquakes show good agreement to the values from a kinematic inversion in previous studies. The test results also indicate the unavailability of the spectral self-similarity proposed by Aki because of the scale-dependent rupture velocity and the rupture velocity-dependent fmax/fc; however, the results do support the local similarity asserted by Ohnaka. It is also remarkable that the relationship between the rupture velocity and fmax/fc is quite similar to Kolmogorov's hypothesis on a similarity in the theory of isotropic turbulence.
In this paper, two different techniques for mixed-mode type engineering fracture mechanics are investigated to estimate the stress intensity factors by using p-version finite element model. These two techniques are displacement extrapolation with COD and CSD method and J-integral with decomposition method. By decomposing the displacement field obtained from p-version of finite element analysis into symmetric and antisymmetric displacement fields with respect to the crack line, Mode-I and Mode-II stress intensity factors can be determined using aforementioned techniques. The example problems for validating the proposed techniques are centrally and centrally oblique cracked panels under tension. The numerical results associated with the variation of oblique angle and the ratio of crack length and panel width (a /W ratio) are compared with those by theoretical values and empirical solutions in literatures. Very good agreements with the existing solutions are shown.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.25
no.4
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pp.293-300
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2012
In this study, the delamination analysis has been implemented to investigate the initiation and propagation of crack in composite laminates composed of orthotropic materials. A simple modeling was achieved by moving nodal technique without re-meshing work when crack propagation occurred. This paper aims at achieving two specific objectives. The first is to suggest a very simple modeling scheme compared with those applied to conventional h-FEM based models. To verify the performance of the proposed model, analysis of double cantilever beams with composite materials was implemented and then the results were compared with reference values in literatures. The second one is to investigate the behavior of interior delamination problems using the proposed model. To complete these objectives, the full-discrete-layer model based on Lobatto shape functions was considered and energy release rates were calculated using three-dimensional VCCT(virtual crack closure technique) based on linear elastic fracture mechanics.
Tarar, Wasim;Herman Shen, M.H.;George, Tommy;Cross, Charles
Structural Engineering and Mechanics
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v.35
no.5
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pp.571-592
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2010
An energy-based fatigue life prediction framework was previously developed by the authors for prediction of axial, bending and shear fatigue life at various stress ratios. The framework for the prediction of fatigue life via energy analysis was based on a new constitutive law, which states the following: the amount of energy required to fracture a material is constant. In the first part of this study, energy expressions that construct the constitutive law are equated in the form of total strain energy and the distortion energy dissipated in a fatigue cycle. The resulting equation is further evaluated to acquire the equivalent stress per cycle using energy based methodologies. The equivalent stress expressions are developed both for biaxial and multiaxial fatigue loads and are used to predict the number of cycles to failure based on previously developed prediction criterion. The equivalent stress expressions developed in this study are further used in a new finite element procedure to predict the fatigue life for two and three dimensional structures. In the second part of this study, a new Quadrilateral fatigue finite element is developed through integration of constitutive law into minimum potential energy formulation. This new QUAD-4 element is capable of simulating biaxial fatigue problems. The final output of this finite element analysis both using equivalent stress approach and using the new QUAD-4 fatigue element, is in the form of number of cycles to failure for each element on a scale in ascending or descending order. Therefore, the new finite element framework can provide the number of cycles to failure at each location in gas turbine engine structural components. In order to obtain experimental data for comparison, an Al6061-T6 plate is tested using a previously developed vibration based testing framework. The finite element analysis is performed for Al6061-T6 aluminum and the results are compared with experimental results.
Cast duplex stainless steels are susceptible to thermal aging during long-term service at temperatures ranging from $280^{\circ}C$ to $450^{\circ}C$. To analyze the effect of thermal aging on leak-before-break (LBB) behavior, three-dimensional finite element analysis models were built for circumferentially cracked pipes. Based on the elasticeplastic fracture mechanics theory, the detectable leakage crack length calculation and J-integral stability assessment diagram approach were carried out under different bending moments. The LBB curves and LBB assessment diagrams for unaged and thermally aged pipes were constructed. The results show that the detectable leakage crack length for thermally aged pipes increases with increasing bending moments, whereas the critical crack length decreases. The ligament instability line and critical crack length line for thermally aged pipes move downward and to the left, respectively, and unsafe LBB assessment results will be produced if thermal aging is not considered. If the applied bending moment is increased, the degree of safety decreases in the LBB assessment.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.11
no.3
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pp.355-361
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1987
Creep and fatigue tests were carried out on crack growth properties of small surface cracks in 304 stainless steel at 538.deg.C, 593.deg. C and 650.deg. C in air, by using small plate specimens with a small artificial pit. All the data of the crack growth rate per hour obtained in the present tests were correlated with the maximum stress intensity factor, so that the applicability of linear fracture mechanics to the crack growth of surface cracks at elevated temperature was investigated. In the creep test, relatiion of .sigma.$\^$n/.t$\_$f/=C is obtained between failure time and nominal stress at each temperature level, where n has the value of 11-14 depending on the temperature level. In the creep and fatigue crack growth properties of surface cracks at the elevated temperatures, the maximum stress intensity factor, $_{4}$$\_$max/, is some extent applicable parameter to describe the surface crack growth rate under the present experimental conditions. The crack growth rate per hour increases when the holding time decreases, and creep crack growth rate per hour becomes the lowest limit of crack growth rate per hour in this tests.
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.16
no.1
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pp.55-63
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2012
This paper presents materials and processing technique to manufacture low viscous strain-hardening cementitious composite which is suitable for structures requiring low viscosity of materials. The micromechanics and fracture mechanics tools coupled with processing techniques were adopted to achieve low viscosity of composites as well as high tensile strain capacity. Optimal volume and length of fibers and interfacial properties between fibers and matrix for composites with tensile strength of 2~3MPa were determined on the basis of the micromechanical analysis and the steady-state cracking theory. Then six mixtures were determined and the experiment was carried out to evaluate the viscosity and uniaxial tensile performance of those. From the test results, it is verified that the strain-hardening cementitious composite with low viscosity suitable for grouting applications in fresh state as well as high ductility over 1.5% in hardened state can be feasible.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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