The use of fracture mechanics has traditionally concentrated on crack growth under an opening mechanism. However, many service failures occur from cracks subjected to mixed-mode loading. Hence, it is necessary to evaluate the fatigue behavior under mixed-mode loading. Under mixed-mode loading, not only the fatigue crack propagation rate is of importance, but also the crack propagation direction. In modified range 0.3$\leq$a/W$\leq$0.5, the stress intensity factors (SIFs) of mode I and mode II for the compact tension shear (CTS) specimen were calculated by using elastic finite element analysis. The propagation behavior of the fatigue cracks of cold rolled stainless steels (STS304) under mixed-mode conditions was evaluated by using K$\_$I/ and $_{4}$ (SIFs of mode I and mode II). The maximum tangential stress (MTS) criterion and stress intensity factor were applied to predict the crack propagation direction and the propagation behavior of fatigue cracks.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.14
no.4
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pp.761-769
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1994
Actual load acting on rail surface in the track is the combined mode loading due to the contact rolling load of the wheels. To investigate the fracture behavior on rail steel under combined modes I and II, fracture tests were performed by using the test jigs and fracture specimen which were designed by Richard. The analysis results of experimental fracture data were compared with various fracture criteria that have been introduced for determination of the crack propagation direction and the critical stress of fracture of a crack submitted to a mixed mode loading. From the results, it was shown that the actual crack propagation direction of rail steel agree with the crack propagation directions predicted by maximum tangential stress criterion and strain energy density criterion, and that fracture criterion follows principal strain criterion.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.6
s.177
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pp.1547-1556
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2000
In this paper, an evaluation method of fracture toughness to apply interfacial fracture mechanics was investigated in adhesively bonded double-cantilever beam (DCB) joints. Four types of adhesively bonded DCB joints with an interface crack were prepared for analyses of the stress intensity factors using boundary element method(BEM) and the fracture toughness test. From the results of BEM analysis and fracture toughness experiments, it is found that the stress intensity factor, K1 is a parameter driving the fracture of adhesively bonded joints. Also, the evaluation method of fracture toughness by separated stress intensity factors of mixed mode cracks was proposed and the influences of mode components for its fracture toughness are investigated in adhesively bonded DCB joints.
Proceedings of the Korean Society of Machine Tool Engineers Conference
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2001.10a
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pp.298-303
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2001
Most of mechanical failures are caused by repeated loadings and therefore they are strongly related to fatigue. To avoid the failures caused by fatigue, determination of an optimal shape of a structure is one of the very important factors in the initial design stage. Shape optimization for a compact tension specimen in opening mode in fracture mechanics, was accomplished by the linear elastic fracture mechanics and the growth-strain method in this study. Also shape optimization for a cantilever beam in mixed mode was carried out by the same techniques. The linear elastic fracture mechanics was used to estimate stress intensity factors and fatigue lives. And the growth-strain method was used to optimize the shape of the initial shape of the specimens. From the results of the shape optimization, it was found that shapes of two types of specimens and a cantilever beam optimized by the growth-strain method prolong their fatigue lives very much. Therefore, it was verified that the growth-strain method is an appropriate technique for shape optimization of a structure having a crack.
Several methods for improving the interlaminar strength and fracture toughness of composite materials are developed. Through-the-thickness stitching is considered one of the most common ways to prevent delamination. Stitching significantly increases the Mode I fracture toughness and moderately improves the Mode II fracture toughness. An analytical model has been developed for simulating the behavior of stitched double cantilever beam specimen under various loading conditions. For z-directional load and moment about the y-axis the numerical solutions are compared with the exact solutions. The derived formulation shows good accuracy when the relative error of displacement and rotation between numerical and exact solution were calculated. Thus we can use the present model with confidence in analyzing other problems involving stitched beams.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.8
no.2
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pp.86-93
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1999
Ceramic/metal bonded joints have led to increasing use of structural materials such as automobiles and heat engines. A method of strength evaluation focussing on fracture criterion of mixed mode was investigated in {{{{ {Si }_{3 } {N }_{4 } }}}}/metal bonded joint, Also Fracture toughness tests of {{{{ {Si }_{3 } {N }_{4 } }}}}/metal bonded joints with an interface crack were carried out and the stress intensity factors of these joints were analyzed by boundary element method. Form the results the fracture criterion and method of strength evaluation by the fracture toughness were proposed in {{{{ {Si }_{3 } {N }_{4 } }}}}/Metal bonded joints
The new energy-based criterion, named Reinforcement Strain Energy Density (ReiSED), is proposed to investigate the fracture behavior of the cracked orthotropic materials in which the crack is embedded in the matrix along the fibers. ReiSED is an extension of the well-known minimum strain energy density criterion. The concept of the reinforced isotropic solid as an advantageous model is the basis of the proposed mixed-mode I/II criterion. This model introduces fibers as reinforcements of the isotropic matrix in orthotropic materials. The effects of fibers are qualified by defining reinforcement coefficients at tension and shear modes. These coefficients, called Reduced Stress (ReSt), provide the possibility of encompassing the fiber fraction in a fracture criterion for the first time. Comparing ReiSED fracture limit curve with experimental data proves the high efficiency of this criterion to predict the fracture behavior of orthotropic materials.
Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers
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v.11
no.3
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pp.102-109
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2002
The fatigue crack growth under mixed mode condition has been discussed within the scope of linear fracture mechanics such as maximum tangential stress, maximum tangential principal stress and minimum strain energy density. The purpose of this study is to investigate the characteristics of fatigue test crack growth in 304 stainless steel under mixed node. The fatigue test results carried out by using inclined pre-crack specimens was compared to both of the theoretical predictions of the criteria, maximum tangential stress and stain energy density. As difference from theoretical analysis, the transition region from mixed mode to mode I appeared in the fatigue test. There is deep relationship between the angle of slanted pre-crack and transition. Therefore, as applying the different stress intensity factor to each node I+II and mode I, the directions and rates of fatigue crack growth are evaluated more accurately under mixed mode.
The shape and size of the plastic zone around the crack tip are analyzed under pure mode I, pure mode II and mixed mode (I+II) loading for small scale yielding and for both plane stress and plane strain conditions. A new analytical formulation is presented to determine the radius of the plastic zone in a non-dimensional form. In particular, the effect of T-stress on the plastic zone around the crack tip is studied. The results of this investigation indicate that the stress field with a T-stress always yields a larger plastic zone than the field without a T-stress. It is found that under predominantly mode I loading, the effect of a negative T-stress on the size of the plastic zone is more dramatic than a positive T-stress. However, when mode II portion of loading is dominating the effect of both positive and negative T-stresses on the size of the plastic zone is almost equal. For validating the analytical results, several finite element analyses were performed. It is shown that the results obtained by the proposed analytical formulation are in very good agreements with those obtained from the finite element analyses.
This study addresses cracks and fracture problems in engineering structures that may cause significant challenges and safety concerns, with a focus on pressure vessels in nuclear power plants. Comprehensive parametric three-dimensional mixed mode fracture analyses for inclined and deflected nozzle corner cracks with various crack shape aspect ratios and depth ratios in nuclear reactor pressure vessels are carried out. Stress intensity factor (SIF) solutions are obtained using FRAC3D, which is part of Fracture and Crack Propagation Analysis System (FCPAS), employing enriched finite elements along the crack front. Also, improved empirical equations are developed to allow the determination of mixed mode SIFs, KI, KII, and KIII, for any values of the parameters considered in the study. This study provides practical solutions to assess the remaining life and fail-safe conditions of nuclear reactors by providing accurate SIF determination.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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