Damage detection has been proven to be a challenging task in structural health monitoring (SHM) due to the fact that damage cannot be measured. The difficulty associated with damage detection is related to electing a feature that is sensitive to damage occurrence and evolution. This difficulty increases as the damage size decreases limiting the ability to detect damage occurrence at the micron and submicron length scale. Damage detection at this length scale is of interest for sensitive structures such as aircrafts and nuclear facilities. In this paper a new photonic sensor based on photonic crystal (PhC) technology that can be synthesized at the nanoscale is introduced. PhCs are synthetic materials that are capable of controlling light propagation by creating a photonic bandgap where light is forbidden to propagate. The interesting feature of PhC is that its photonic signature is strongly tied to its microstructure periodicity. This study demonstrates that when a PhC sensor adhered to polymer substrate experiences micron or submicron damage, it will experience changes in its microstructural periodicity thereby creating a photonic signature that can be related to damage severity. This concept is validated here using a three-dimensional integrated numerical simulation.
노후 항공기는 일반적으로 다중손상(MSD)이라고 하는 폭넓게 분포된 피로손상을 내포하고 있다. 2024-T3 알루미늄합금과 같은 연성재료에 있어서 다중손상은 전통적인 파괴역학에서 예측할 수 있는 것보다 낮은 운용수명을 예측하게 만드는 것으로 알려져 있다. 본 논문에서는 다중손상을 갖는 평판 구조물을 모델링한 Fastener Hole을 갖는 2024-T3 알루미늄합금 판재로 제작된 Hole/Slot type M(T) 시편에 예입압입을 적용한 후 피로시험을 수행하여 피로균열 성장지연에 의한 운용수명 증가에 대한 효과를 연구하였다. 예비압입을 적용한 시편은 파단에 이르는 사이클수가 최소 10배에서 최대 40배까지 증가하였으며, 일정진폭 하중의 최대값을 증가시킴에 따라서 그 효과가 감소함을 보여주었다. 또한, 압입에 의한 균열성장지연 메커니즘은 균열진전경로가 압입자국에 들어서면서 균열성장률이 감소하기 시작하며 압입자국의 중심을 지나면서 최소균열성장률 상태로 일정한 시간동안 균열성장이 정체됨으로써 피로수명이 연장됨을 밝혔다.
Many foundation projects are built on red-bed soft rocks, and the damage evolution of this kind of rocks affects the safety of these projects. At present, there is insufficient research on the damage evolution of red-bed soft rocks, especially the progressive process from mesoscopic texture change to macroscopic elastoplastic deformation. Therefore, based on the dual-porosity characteristics of pores and fissures in soft rock, we adopted a cellular automata model to simulate the propagation of these voids in soft rocks under an external load. Further, we established a macro-mesoscopic damage model of red-bed soft rocks, and its reliability was verified by tests. The results indicate that the relationship between the number and voids size conformed to a quartic polynomial, whereas the relationship between the damage variable and damage porosity conformed to a logistic curve. The damage porosity was affected by dual-porosity parameters such as the fractal dimension of pores and fissures. We verified the reliability of the model by comparing the test results with an established damage model. Our research results described the progressive process from mesoscopic texture change to macroscopic elastoplastic deformation and provided a theoretical basis for the damage evolution of these rocks.
콘크리트는 초기부터 미세균열을 포함하고 있으며 이들의 성장과 전파에 의해 파손이 발생한다. 이와같은 과정을 손상이라 한다. 연속체 손상역학의 개념을 소개하고 열역학 법칙으로부터 자유에너지함수와 소산포텐셜을 가정하여 이차텐서로 나타낸 손상모델의 전개법칙과 구성방정식을 제안하였다. 구성방정식은 탄성과 손상 및 소성을 고려하도록 하였다. 도출된 모델을 이용하여 단조하중에 의한 일축과 이축응력을 받는 콘크리트에 적용하여 그 타당성을 검정하였다.
The modeling of crack initiation and propagation is very important for the failure analysis of concrete. The cracking process in concrete is quite different from that of other materials, such as metal and glass, in that it is not a sudden onset of new free surface but a continuous forming and connecting of microcracks. The failure process of concrete by cracking causes irreversible deformations and stiffness degradation. Those phenomenon can be modeled using plasticity and damage theory in macroscopic aspect. In this study, a plastic-damage model based on homogenized crack model considering velocity discontinuity and damage variable which is a function of plastic strain is proposed for fracture analysis of concrete. Finally, the plastic-damage model is verified with experimental data.
The major problems with the conventional neural network, especially Back Propagation Neural Network, arise from the necessity of many training data for neural network learning and ambiguity in the relation of neural network structure to the convergence of solution. In this paper, the PNN is used as a pattern classifier to detect the damage of structure to avoid those drawbacks of the conventional neural network. In the PNN-based pattern classification problems, the probability density function for patterns is usually assumed by Gaussian distribution. But, in this paper, several probability density functions are investigated in order to select the most approriate one for structural damage assessment.
Rubber-modified epoxy resins have been employed as adhesive and matrix materials for glass and corbon-fiber composites. The behavior of fracture around a crack tip for rubber-modified epoxy resin is investigated through the acoustic emission (AE) analysis of compact tension specimens. Damage zone and rubber particles distributed around a crack tip were observed by a polarized optical microscope and an atomic force microscope (AFM). The damage zone in front of pre-crack tip in rubber-modified specimen $(15wt\%\; rubber)$ began to form at about $13\%$ level of the fracture load and grew in size until $57\%$ load level. After that, the crack propagated in a stick-slip manner. Based on time-frequency analysis of AE signals and microscopic observation of damage zone, it was thought that AE signals with frequency bands of 0.15-0.20 MHz and 0.200.30 MHz were generated from cavitation in the damage zone and crack propagation, respectively.
This work presents a study on development of a practical and quantitative technique for assessment of the structural health condition by piezoelectric impedance-based technique associated with longitudinal wave propagation method. The bolt fastening condition is adjusted by torque wrench. In order to estimate the damage condition numerically, three damage indices, impedance peak frequency shift ${\Delta}F$ is proposed in this paper. Furthermore, an assessment method is described for estimation of the damage by using these three damage indices.
This work presents a study on development of a practical and quantitative technique for assessment of the structural health condition by Piezoelectric impedance-based technique associated with longitudinal wave propagation method. The bolt fastening condition is adjusted by torque wrench. In order to estimate the damage condition numerically, three damage indices, impedance peak frequency shift ${\Delta}F$, peak amplitude ratio $\delta$ and quality factor ratio $\gamma$, are proposed in this paper. Furthermore, an assessment method is described for estimation of the damage by using these three damage indices.
Damage by high-speed impact fracture is a dominant mode of failure in several applications of concrete structures. Numerical modelling can play a crucial role in understanding and predicting complex fracture processes. The commonly used mesh-based Finite Element Method has difficulties in accurately modelling the high deformation and disintegration associated with fracture, as this often distorts the mesh. Even with careful re-meshing FEM often fails to handle extreme deformations and results in poor accuracy. Moreover, simulating the mechanism of fragmentation requires detachment of elements along their boundaries, and this needs a fine mesh to allow the natural propagation of damage/cracks. Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is an alternative particle based (mesh-less) Lagrangian method that is particularly suitable for analysing fracture because of its capability to model large deformation and to track free surfaces generated due to fracturing. Here we demonstrate the capabilities of SPH for predicting brittle fracture by studying a slender concrete structure (column) under the impact of a high-speed projectile. To explore the effect of the projectile material behaviour on the fracture process, the projectile is assumed to be either perfectly-elastic or elastoplastic in two separate cases. The transient stress field and the resulting evolution of damage under impact are investigated. The nature of the collision and the constitutive behaviour are found to considerably affect the fracture process for the structure including the crack propagation rates, and the size and motion of the fragments. The progress of fracture is tracked by measuring the average damage level of the structure and the extent of energy dissipation, which depend strongly on the type of collision. The effect of fracture property (failure strain) of the concrete due to its various compositions is found to have a profound effect on the damage and fragmentation pattern of the structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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