This paper describes an experimental analysis for improving the stability of blade failure due to the vibration resonance, which happens in the low-pressure steam turbine. Some cracks due to high cycle fatigue were found in the blades of a low-pressure turbine after long time operation. Impact test showed that such failure was mainly caused by the resonance. In other words, since one of the natural frequencies of the grouped blade is very close to the excitation frequency of the nozzle, the resonant vibration leads to a large amplitude of displacement and results in a large amount of stress that may cause fatigue failures in the blades. It is interesting that the blade failures occur only at blades neighboring with the nodal points of the natural vibration mode whose natural frequency is close to the nozzle passing frequency. The effective methods for increasing the reliability against the blade vibration are a heightening the fatigue limit of the blade using an advanced material and a removing the resonance away from the operating speed. It is well known that the removal of theresonance could be obtained by the installation of different types of shrouds, wires, and links between the blades as well as by the chance of the number of nozzles. In the present work, two kinds of modification for avoiding the resonance haute been considered; 1) slot-type finger, 2) long span cover. Full-scale mockup tests have been performed in order to confirm the verification for modification in the shop. Test results show that the use of long span cover is very useful to change the natural frequencies of the grouped blade and to avoid the resonance effectively.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.13
no.2
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pp.1-9
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2005
An end beam is one of the most important structural members supporting uncovered freight under in-service loading. In general, it needs to endure over 25 years. However fatigue fracture has occurred at dynamic stress concentration location of the end beam because user's specifications demanded high speed and vehicle manufacturer made the uncovered freight car with comparatively low strength and stiffness. For durability analysis, finite element analysis is performed to evaluate the problem of uncovered freight structure and local strain. The uncovered freight car was operated on actual problematic railroad line to measure dynamic stress versus time history on the critical part from which a crack is initiated often. Rainflow cycle counting method was used to estimate fatigue damage at dangerous area under operating condition. Therefore, this study shows that analytical fatigue life at the end beam can be predicted on the basis of S-N curve and structure analysis and has a fairly good correlation with experimental fatigue life.
Lee, Man Suk;Kim, Taek Young;Kang, Se Hyung;Kim, Ho Kyung
Journal of the Korean Society of Safety
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v.29
no.4
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pp.9-14
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2014
Self-piercing riveting(SPR) is a mechanical fastening technique which is put pressure on the rivet for joining the sheets. Unlike a spot welding, SPR joining does not make the harmful gas and $CO_2$ and needs less energy consumption. In this study, static and fatigue tests were conducted using tensile-shear specimens with Al-5052 plates for evaluation of fatigue strength of the SPR joints. During SPR joining process for the specimen, using the current sheet thickness and a rivet, the optimal applied punching force was found to be 21 kN. And, the maximum static strength of the specimen produced at the optimal punching force was 3430 N. During the fatigue tests for the specimens, interface failure mode occurred on the top substrate close to the rivet head in the most high-loading range region, but on the bottom substrate close to the rivet tail in the low -loading range region. There was a relationship between applied load amplitude $P_{amp}$ and lifetime of cycle N for the tensile-shear, $P_{amp}=3395.5{\times}N^{-0.078}$. Using the stress-strain curve of the Al-5052 from tensile test, the simulations for fatigue specimens have been carried out using the implicit finite element code ABAQUS. The relation between von-Mises equivalent stress amplitude and number of cycles was found to be ${\sigma}_{eq}=514.7{\times}N^{-0.033}$.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.18
no.3
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pp.133-142
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2010
The present work focuses on the characterization of material parameters of the Overlay(multilinear hardening) model for analyzing the non-isothermal cyclic deformation. In the previous study, all the parameters were especially based on the Overlay theories, and a simple method was suggested to find out the best material parameters for the isothermal cyclic deformation analysis. Based on the previous research this paper f dther improves the isothermal parameters and suggests how to apply the isothermal parameters to the non-isothermal conditions especially for the description of TMF(Thermo-Mechanical Fatigue) hysteresis behavior. The parameters are determined and calibrated using 400 series stainless steel test data in the reference papers. For the implementation into ABAQUS, a user subroutine is developed by means of ABAQUS/UMAT. The finite element results show good agreement with test for the case of uniaxial non-isothermal cyclic loading, signifying the proposed method can be used in the TMF analysis of the converter-inserted heavy duty muffler system and the stainless steel exhaust-manifold system which are to be done in our future research.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2009.05a
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pp.350-353
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2009
In the fatigue analysis and the components design, uncertainties are caused by the variances of geometry data and applied loads, and the scatter of material properties. In this paper, fatigue crack growth life of turbine is evaluated by fracture mechanics and the reliability analysis is accessed by the fist order second moment method and Monte Carlo simulation.
The long-term research and development for the production of domestic blades has been consistently performed. As the direct and indirect results of its nationwide technologies in precision casting have been improved as well as maintenance costs for turbine machinery has been reduced. Whereas, there are still not a few concerns about the reliability of newly manufactured blades in spite of the quality certificate in metallurgical and mechanical properties. A spin tester is a machine that gives centrifugal loading to a rotating part, and its practical application is the overspeed test that is usually used to check the quality of products. A new spin rig has been constructed in KEPCO Research Institute for the purpose of evaluating the reliability of blades. In this paper, the test methodology for low cycle fatigue damage mechanism as well as the overspeed test for newly developed blades is described, and their reliability is evaluated too.
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea
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v.6
no.3
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pp.11-21
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2002
The evaluation of displacement ductility is performed by direct method through tracking the inelastic hysteretic behavior of RC bridge columns subject to cyclic loading using a flexibility-based fiber element mode. To reasonably track the inelastic behavior until the RC bridge column reaches its ultimate state, the average stress-average strain relations and joint elements, which agree well with experiments, are modified and applied considering the tension stiffening behavior and discontinuous displacement between the column and its base. In addition the evaluation of displacement ductility is performed by a direct method easily applicable to numerical analysis. Locations for the integration points, values for the post-crushing concrete strength and low-cycle fatigue failure of longitudinal reinforcement that affect the calculation of yielding and ultimate displacements are proposed for the application to flexibility-based fiber element model. Since less than 10% of error occurs during the displacement ductility analysis, the yielding and ultimate displacements evaluated by the applied analysis method and model appear to be valid.
Kim, Sung-Wan;Yun, Da-Woon;Jeon, Bub-Gyu;Kim, Seong-Do
Journal of the Korea institute for structural maintenance and inspection
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v.25
no.1
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pp.112-119
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2021
The failure mode of piping systems due to seismic loads is the low-cycle fatigue failure with ratcheting, and it was found that the element in which nonlinear behavior is concentrated and damage occurs is the elbow. In this study, to quantitatively express the failure criteria for a pipe elbow of SCH40 3-inch carbon steel under low-cycle fatigue, the limit state was defined as leakage, and the in-plane cyclic loading test was conducted. For the carbon steel pipe elbow, which is the vulnerable part to seismic load of piping systems, the damage index was represented using the moment-deformation angle relationship, and it was compared and analyzed with the damage index calculated using the force-displacement relationship. An attempt was made to quantitatively express the limit state of the carbon steel pipe elbow involving leakage using the damage index, which was based on the dissipated energy caused by repeated external forces.
Jong-Min Lee ;Jae-Yoon Kim;Hyun-Seok Song ;Yun-Jae Kim ;Jin-Weon Kim
Nuclear Engineering and Technology
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v.55
no.5
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pp.1616-1629
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2023
To quantify the conservatism of existing ASME strain-based evaluation methods for seismic loading, this paper presents very low cycle fatigue test data of elbows under various cyclic loading conditions and comparison of evaluation results with experimental failure cycles. For strain-based evaluation methods, the method presented in ASME BPVC CC N-900 and Sec. VIII are used. Predicted failure cycles are compared with experimental failure cycle to quantify the conservatism of evaluation methods. All methods give very conservative failure cycles. The CC N-900 method is the most conservative and prediction results are only ~0.5% of experimental data. For Sec. VIII method, the use of the option using code tensile properties gives ~3% of experimental data, and the use of the material-specific reduction of area can reduce conservatism but still gives ~15% of experimental data.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.19
no.12
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pp.1281-1288
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2009
Variation of dynamic characteristics of a low pressure turbine blade with crack length is studied in this paper via both experiments and finite element model. Since most of the turbine blades used in domestic power plants are imported from abroad, it is necessary to understand their dynamic behavior in advance. When experimentally obtained natural frequencies and mode shapes are compared with those from FEM results, they are close to each other in their magnitude. Then, it is more feasible to use finite element model for analyzing the dynamic characteristics of a blade under various operation conditions (rotation speed, temperature, etc) as well as with a crack in the blade.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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