Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.29
no.3
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pp.229-235
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2016
In this paper, a methodology, which is able to predict the thermal stresses accurately yet efficiently, is presented for beam structures via Saint-Venant's principle. In general, higher-order beam theories have been known to be effective for the prediction of thermal stresses. In contrast to this, we propose the method to predict the thermal stresses of beam structures by post-processing the classical beam theory via Saint-Venant's principle. The approach includes an out-of-plane warping displacement to account for the through-the-thickness thermal deformation. With this, one can accurately recover the thermal stresses as compared to the elasticity solutions. In fact, they are identical for the beams made of isotropic materials. The effect of out-of-plane warping is also investigated, it turns out that the effect is negligible in mechanical stress analysis but not in thermal stress analysis.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.25
no.8
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pp.1261-1268
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2001
Effective material properties of active fiber composites with interdigitated electrodes are derived as a function of the fiber volume fraction. For the purpose of applying the rule of mixture, three unit cell models are introduced; each for the deformation and stress continuities in the out of plane and in-plane directions, and the continuity of the electrical displacement in the longitudinal direction. Derived effective material properties are compared with the results by the finite element method; good agreements are observed between them. As an application, the electromechanical behavior of the angle ply laminates with the active fiber layers bonded on the top and bottom surfaces are investigated; the angle of piezoelectric fiber to maximize the twisting curvature is obtained using the present model.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers
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v.8
no.6
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pp.78-83
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1999
This study discusses a non-contact optical technique, electronic speckle pattern interformetry(ESPI), that is well suited for in-plane and out-of-plane deformation measurement. However, the existing ESPI methods that are based on dual-exposure, real-time and time-average method have difficulties for accurate measurement of structure, due to irregular intensity and shake of phase. Therefore, phase shifting method has been proposed in order to solve this problem. About the method, the path of reference light in interferometry is shifted and added to least square fitting method to make the improvement in distinction and precision. This proposed method is applied to measure in -plane displacement that is compared with the previous method. Also, Used as specimen AS4/PE따 [30/=30/90]s was analyzed by ESPI based on real-time to determine the characteristics of vibration under no-load and tension. These results are quantitatively compared with those of FEM analysis inmode shapes.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.15
no.1
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pp.169-178
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1991
A plane-strain finite element analysis of sheet metal forming is carried out by using the rigid-plastic FEM based on the membrane theory. The sheet material is assumed to possess normal anisotropy and to obey Hill's new yield criterion and its associated flow rule. A formulation of initial guess generation for the displacement field is derived by using the nonlinear elastic FEM. A method of contact treatment is proposed in which the skew boundary condition for arbitrarily shaped tools is successively used during iteration. In order to verify the validity of the developed method, plane-strain drawing with tools in analytic expression and with arbitrarily shaped tools is analyzed and compared with the published results. The comparison shows that the present method can be effectively used in the analysis of plane-strain sheet metal forming and thus provides the basis of approximate sectional analysis of panel-like sheet forming.
The present study aims to evaluate the nonlinear and post-buckling behaviors of orthotropic graphene sheets exposed to end-shortening strain by implementing a semi-Galerkin technique, as a new approach. The nano-sheets are regarded to be on elastic foundations and different out-of-plane boundary conditions are considered for graphene sheets. In addition, nonlocal elasticity theory is employed to achieve the post-buckling behavior related to the nano-sheets. In the present study, first, out-of-plane deflection function is considered as the only displacement field in the proposed technique, which is hypothesized by an appropriate deflected form. Then, the exact nonlocal stress function is calculated through a complete solution of the von-Karman compatibility equation. In the next step, Galerkin's method is used to solve the unknown parameters considered in the proposed technique. In addition, three different scenarios, which are significantly different with respect to concept, are used to satisfy the natural in-plane boundary conditions and completely attain the stress function. Finally, the post-buckling behavior of thin graphene sheets are evaluated for all three different scenarios, and the impacts of boundary conditions, polymer substrate, and nonlocal parameter are examined in each scenario.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.40
no.11
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pp.919-925
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2016
In this study, the Lamb wave mixing technique, which is basised on advanced research on the nonlinear bulk wave mixing technique, is applied for corrosion detection. To demonstrate the validity of the Lamb wave mixing technique, an experiment was performed with normal and corroded specimens. Comparison group in an experimentation are selected to mode and frequency with dominant in-plane displacement and out-of-plane displacement of Lamb waves. The results showed that the Lamb wave mixing technique can monitor corrosion defects, and it has a trend similar to that of the conventional Lamb wave technique. It was confirmed that the dominant displacement and mode matching the theory were generated. Flaw detectability is determined depending on displacement ratio instead of using the measurement method and mode selection.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.11
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pp.1986-1996
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2003
Methodology based on the elastic-plastic fracture mechanics has been widely accepted in predicting the critical crack length(CCL) of pressure tubes of CANDU nuclear plants. A conservative estimate of CCL is obtained by employing the J-resistance curves measured with the specimens satisfying plane strain condition as suggested in the ASTM standard. Due to limited thickness of the pressure tubes the curved compact tension(CT) specimens taken out from tile pressure tube have been used in obtaining J-resistance curves. The curved CT specimen inevitably introduce slant fatigue crack during precracking. Hence, effect of specimen geometry and slant crack on J-resistance curve should be explored. In this study, the difference of J integral values between the standard CT specimens satisfying plane strain condition and the nonstandard curved CT with limited thickness (4.2mm) is estimated using finite element analysis. The fracture resistance curves of Zr-2.5Nb obtained previously by other authors are critically discussed. Various finite element analysis were conducted such as 2D analysis under plane stress and plane strain conditions and 3D analysis for flat CT, curved CT with straight crack and curved CT with slant crack front. J-integral values were determined by local contour integration near the crack tip, which was considered as accurate J-values. J value was also determined from the load versus load line displacement curve and the J estimation equation in the ASTM standard. Discrepancies between the two values were shown and suggestion was made for obtaining accurate J values from the load line displacement curves obtained by the curved CT specimens.
Most manufacturing processes, including welding, create residual stresses. Residual stresses can reduce material strength and cause fractures. For estimating the reliability and aging of a welded structure, residual stresses should be evaluated as precisely as possible. Optical techniques such as holographic interferometry, electronic speckle pattern interferometry (ESPI), Moire interferometry, and shearography are noncontact means of measuring residual stresses. Among optical techniques, ESPI is typically used as a nondestructive measurement technique of in-plane displacement, such as stress and strain, and out-of-plane displacement, such as vibration and bending. In this study, ESPI was used to measure the residual stress on the welded part of butt-welded American Society for Testing and Materials (ASTM) A36 specimens with $CO_2$ welding. Four types of specimens, base metal specimen (BSP), tensile specimen including welded part (TSP), compression specimen including welded part (CSP), and annealed tensile specimen including welded part (ATSP), were tested. BSP was used to obtain the elastic modulus of a base metal. TSP and CSP were used to compare residual stresses under tensile and compressive loading conditions. ATSP was used to confirm the effect of heat treatment. Residual stresses on the welded parts of specimens were obtained from the phase map images obtained by ESPI. The results confirmed that residual stresses of welded parts can be measured by ESPI.
In this research, an effective computational technique is carried out for nonlinear and post-buckling analyses of cracked imperfect composite plates. The laminated plates are assumed to be moderately thick so that the analysis can be carried out based on the first-order shear deformation theory. Geometric non-linearity is introduced in the way of von-Karman assumptions for the strain-displacement equations. The Ritz technique is applied using Legendre polynomials for the primary variable approximations. The crack is modeled by partitioning the entire domain of the plates into several sub-plates and therefore the plate decomposition technique is implemented in this research. The penalty technique is used for imposing the interface continuity between the sub-plates. Different out-of-plane essential boundary conditions such as clamp, simply support or free conditions will be assumed in this research by defining the relevant displacement functions. For in-plane boundary conditions, lateral expansions of the unloaded edges are completely free while the loaded edges are assumed to move straight but restricted to move laterally. With the formulation presented here, the plates can be subjected to biaxial compressive loads, therefore a sensitivity analysis is performed with respect to the applied load direction, along the parallel or perpendicular to the crack axis. The integrals of potential energy are numerically computed using Gauss-Lobatto quadrature formulas to get adequate accuracy. Then, the obtained non-linear system of equations is solved by the Newton-Raphson method. Finally, the results are presented to show the influence of crack length, various locations of crack, load direction, boundary conditions and different values of initial imperfection on nonlinear and post-buckling behavior of laminates.
This paper presents the theoretical developments of an exact finite strip for the buckling and initial post-buckling analyses of isotropic flat plates. The so-called exact finite strip is assumed to be simply supported out-of-plane at the loaded ends. The strip is developed based on the concept that it is effectively a plate. The present method, which is designated by the name Full-analytical Finite Strip Method in this paper, provides an efficient and extremely accurate buckling solution. In the development process, the Von-Karman's equilibrium equation is solved exactly to obtain the buckling loads and the corresponding form of out-of-plane buckling deflection modes. The investigation of thin flat plate buckling behavior is then extended to an initial post-buckling study with the assumption that the deflected form immediately after the buckling is the same as that obtained for the buckling. It is noted that in the present method, only one of the calculated out-of-plane buckling deflection modes, corresponding to the lowest buckling load, i.e., the first mode is used for the initial post-buckling study. Thus, the postbuckling study is effectively a single-term analysis, which is attempted by utilizing the so-called semi-energy method. In this method, the Von-Karman's compatibility equation governing the behavior of isotropic flat plates is used together with a consideration of the total strain energy of the plate. Through the solution of the compatibility equation, the in-plane displacement functions which are themselves related to the Airy stress function are developed in terms of the unknown coefficient in the assumed out-of-plane deflection function. These in-plane and out-of-plane deflected functions are then substituted in the total strain energy expressions and the theorem of minimum total potential energy is applied to solve for the unknown coefficient. The developed method is subsequently applied to analyze the initial postbuckling behavior of some representative thin flat plates for which the results are also obtained through the application of a semi-analytical finite strip method. Through the comparison of the results and the appropriate discussion, the knowledge of the level of capability of the developed method is significantly promoted.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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