A procedure of estimating failure probability is demonstrated for a pressurized pipe of CrMo steel used at $538^{\circ}C$. Probabilistic fracture mechanics were employed considering variations of pressure loading, material properties and geometry. Probability density functions of major material variables were determined by statistical analyses of implemented data obtained by previous experiments. Distributions of the major variables were reflected in Monte Carlo simulation and failure probability as a function of operating time was determined. The creep crack growth life assessed by conventional deterministic approach was shown to be conservative compared with those obtained by probabilistic one. Sensitivity analysis for each input variable was also conducted to understand the most influencing variables to the residual life analysis. Internal pressure, creep crack growth coefficient and creep coefficient were more sensitive to failure probability than other variables.
It is important to maintain cladding integrity in spent nuclear fuel management. This study proposes a numerical analysis method to evaluate the fracture resistance of irradiated zirconium alloy cladding under pinch load known to cause Mode-III failure. The mechanical behavior and fracture of the cladding under pinch loading can be evaluated by a Ring Compression Test (RCT). To simulate the fracture of hydride precipitates, zirconium matrix, and Zr/hydride interfaces under the stress field generated by RCT, a micro-structure crack propagation simulation method based on Continuum Damage Mechanics (CDM) has been proposed. Our RCT simulation model was constructed from microscopic images of irradiated cladding. In this study, we developed an automated process to generate a pixel-based finite element model by separating the hydride precipitates, zirconium matrix, and interfaces using an image segmentation method. The appropriate element size was selected to ensure the efficiency and accuracy of a crack propagation simulation. The load-displacement curves and strain energies from RCT were compared and analyzed with the simulation results of different element sizes. The finalized RCT simulation model can be used to establish the failure criterion of fuel rods under pinch loading. The advantages and limitations of the proposed method are fully discussed here.
This paper attempts to develop the analytical model of estimating the fatigue damage using a linear elastic fracture mechanics method. The stress history on a welding member, when a truck passed over a bridge, was defined as a block loading and the crack closure theory was used. These theories explain the influence of a load on a structure. This study undertook an analysis of the stress range frequency considering both dead load stress and crack opening stress. A probability method applied to stress range frequency distribution and the probability distribution parameters of it was obtained by Maximum likelihood Method and Determinant. Monte Carlo Simulation which generates a probability variants (stress range) output failure block loadings. The probability distribution of failure block loadings was acquired by Maximum likelihood Method and Determinant. This can calculate the fatigue reliability preventing the fatigue failure of a welding member. The failure block loading divided by the average daily truck traffic is a predictive remaining life by a day. Fatigue reliability analysis was carried out for the welding member of the bottom flange of a cross beam and the vertical stiffener of a steel box bridge by the proposed model. Results showed that the primary factor effecting failure time was crack opening stress. It was important to decide the crack opening stress for using the proposed model. Also according to the 50% reliability and 90%, 99.9% failure times were indicated.
According to the results of three-point bending tests of rubberized concrete and plain concrete, the parameters such as total fracture energy ($G_F$), initial fracture energy ($G_f$), and tensile strength ($f_t$) are obtained for concrete material. Using ABAQUS software and a bilinear softening fictitious crack model, the crack propagation process was simulated and compared to the experimental results. It is found that the increase of AE hit count has a similar trend with the increase of energy dissipation in FEM simulation. For two types of concretes, both experimental results and numerical simulation indicate that the rubberized concrete has a better fracture resistance.
This paper describes a probabilistic fracture mechanics (PFM) analysis based on Monte Carlo (MC) simulation. In the analysis of CANDU pressure tube, it is necessary to perform the PFM analyses based on statistical consideration of flaw generation time. A depth and an aspect ratio of initial semi-elliptical surface crack, a fracture toughness value, delayed hydride cracking (DHC) velocity, and flaw generation time are assumed to be probabilistic variables. In all the analyses, degradation of fracture toughness due to neutron irradiation is considered. Also, the failure criteria considered are plastic collapse, unstable fracture and crack penetration. For the crack growth by DHC, the failure probability was evaluated in due consideration of flaw generation time.
Flaw geometries, applied stress, and material properties are major input variables for the fracture mechanics analysis. Probabilistic approach can be applied for the consideration of uncertainties within these input variables. But probabilistic analysis requires many assumptions due to the lack of initial flaw distributions data. In this study correlations are examined between initial flaw distributions and in-service flaw distributions on structures under cyclic load. For the analysis, LEFM theories and Monte Carlo simulation are applied. Result shows that in-service flaw distributions are determined by initial flaw distributions rather than fatigue crack growth rate. So initial flaw distribution can be derived from in-service flaw distributions.
The loading capacity of engineering structures/components reduces after the initiation and propagation of crack eventually leads to the final failure. Hence, it becomes essential to deal with the crack and its effects at the design and simulation stages itself, by detecting the prone area of the fracture. The phase-field (PF) method has been accepted widely in simulating fracture problems in complex geometries. However, most of the PF methods are formulated with second order continuity theoryinvolving C0 continuity. In the present study, PF method based on fourth-order (i.e., higher order) theory, maintaining C1 continuity has been proposed for ductile fracture simulation. The formulation includes fourth-order derivative terms of phase field variable, varying between 0 and 1. Applications of fourth-order PF theory to ductile fracture simulation resulted in novelty in this area. The proposed formulation is numerically solved using a two-dimensional finite element (FE) framework in 3-layered manner system. The solutions thus obtained from the proposed fourth order theory for different benchmark problems portray the improvement in the accuracy of the numerical results and are well matched with experimental results available in the literature. These results are also compared with second-order PF theory and a comparison study demonstrated the robustness of the proposed model in capturing ductile behaviour close to experimental observations.
The numerical simulations on the influence of mesoscopic structures on the macroscopic strength and fracture characteristics are carried out based on that the concrete is assumed to be a three-phase composite composed of matrix (mortar), aggregate and bond between them by using a numerical code named MFPA. The finite element program is employed as the basic stress analysis tool when the elastic damage mechanics is used to describe the constitutive law of meso-level element and the maximum tensile strain criterion and Mohr-Coulomb criterion are utilized as damage threshold. It can be found from the numerical results that the bond between matrix and aggregate has a significant effect on the macroscopic mechanical performance of concrete.
This paper addresses the numerical simulation of fatigue crack growth in arbitrary 2D geometries under constant amplitude loading by the using a new finite element software. The purpose of this software is on the determination of 2D crack paths and surfaces as well as on the evaluation of components Lifetimes as a part of the damage tolerant assessment. Throughout the simulation of fatigue crack propagation an automatic adaptive mesh is carried out in the vicinity of the crack front nodes and in the elements which represent the higher stresses distribution. The fatigue crack direction and the corresponding stress-intensity factors are estimated at each small crack increment by employing the displacement extrapolation technique under facilitation of singular crack tip elements. The propagation is modeled by successive linear extensions, which are determined by the stress intensity factors under linear elastic fracture mechanics (LEFM) assumption. The stress intensity factors range history must be recorded along the small crack increments. Upon completion of the stress intensity factors range history recording, fatigue crack propagation life of the examined specimen is predicted. A consistent transfer algorithm and a crack relaxation method are proposed and implemented for this purpose. Verification of the predicted fatigue life is validated with relevant experimental data and numerical results obtained by other researchers. The comparisons show that the program is capable of demonstrating the fatigue life prediction results as well as the fatigue crack path satisfactorily.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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