International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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제5권4호
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pp.36-42
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2004
The shaft with the circular cross section has symmetric structural combination parts to keep the rotating balance. Hence the crack usually initiates from symmetric combination parts due to the stress concentration of these parts. In this study to estimate the fatigue behavior of symmetric cracks, the fatigue test was performed by using a rotary bending tester and the specimen with symmetric defects in circular cross section. The characteristics of crack initiation and propagation on the symmetric surface cracks in circular cross section were examined. We also observed the internal crack using the oxidation coloring method and investigated the fatigue behavior using the relationship between the surface crack and the internal crack. As a result, the fatigue life of symmetric cracks was reduced by 35% compared to that of a single crack. We examined the characteristics of fatigue behavior of elements with symmetric cracks using internal crack propagation rate and maximum stress intensity factor range that were obtained from an approximation method.
An elastic-plastic finite element analysis of fatigue crack closure is performed for plane strain conditions. The stabilization behavior of crack opening level and the effect of mesh size on the crack opening stress are investigated. In order to obtain a stabilized crack opening level for plane strain conditions, the crack must be advanced through approximately four times the initial monotonic plastic zone. The crack opening load tends to increase with the decrease of mesh size. The mesh size nearly equal to the theoretical plane strain cyclic plastic zone size may provide reasonable numerical results comparable with experimental crack opening data. The crack opening behavior is influenced by the crack growth increment and discontinuous opening behavior is observed. A procedure to predict the most appropriate mesh size for different stress ratio is suggested. Crack opening loads predicted by the FE analysis based on the procedure suggested resulted in good agreement with experimental ones within the error of 5 %. Effect of the distance behind the crack tip on the crack opening load determined by the ASTM compliance offset method based on the load-displacement relation and by the rotational offset method based on the load-differential displacement relation is investigated. Optimal gage location and method to determine the crack opening load is suggested.
Constant .DELTA.K fatigue crack growth rate experiments were performed by applying an intermediate single and multiple overload for structural steel, SM45C. The purpose of the present study is to investigate the influence of multiple overloads at various stress intensity factor ranges and the effect of statistical variability of crack retardation behavior. The normalized delayed load cycle, delayed crack length and the minimum crack growth rate are increased with increasing baseline stress intensity factor range when the overload ratio and the number of overload application were constant. The crack retardation under low baseline stress intensity factor range increases by increasing the number of overload application, but the minimum crack growth rate decreases by increasing the number of overload application. A strong linear correlation exists between the minimum crack growth rate and the number of overload applications. And, it was observed that the variability in the crack growth retardation behavior are presented, the probability distribution functions of delayed load cycle, delayed crack length and crack growth life are 2-parameter Weibull. The coefficient of variation of delayed load cycle and delayed crack length for the number of 10 overload applications data are 14.8 and 9.2%, respectively.
Because of the existence of stress interaction field made by other defects and propagating cracks, the structure may be weakened. Therefore in this study, the crack behavior in the interaction field made by two different cracks is studied experimentally. In the experiment, vertical distance between two cracks and applied stress are varied to make different stress interacted field. In addition, the effect of plastic zone is used to examine crack propagation path and rate. Three types of crack propagation in the interacted field were found, and crack propagating path and rate of two cracks were significantly changed according to different applied stress as each crack propagates. And the results are attributed to the effect of the size and shape of the plastic zone.
The fatigue crack growth behavior of the cold-rolled STS 304 steel developed for membrane material of LNG storage tank was examined experimentally at 293K, 153K and 111K. The fatigue crack growth rate(do/dN) tends to increase as the stress ratio (R) increases over the testing temperature when compared at the same stress intensity factor range($\Delta$K). The effect of R on do/dN is more explicit at low temperatures than at room temperature. The resistance of fatigue crack growth at low temperatures is higher compared with that at room temperature which is attributed to the extent of strain-induced martensitic transformation at the crack tip. The temperature dependence of fatigue crack growth resistance is gradually vanished with an increase in $\Delta$K which correlates with a decreasing fracture toughness with decreasing temperature. Fractographic examinations reveal that the differences of the fatigue crack growth characteristics between room and low temperature are mainly explained by the crack closure and the strengthening due to the martensitic transformation.
For the assessment of the retardation of fatigue crack propagation behavior due to overload, new FE analysis algorithms considering compressive residual stress redistribution near crack tip was proposed in this paper. The size of plastic zone near crack tip was obtained by elasto-plastic analysis and it was compared with Irwin's equation. The amount of residual stress redistribution was assessed by subsequent elasto-plastic analysis, and the difference of residual stress distributions between constant amplitude load and overload was obtained. In the analysis of fatigue crack propagation, the applied SIF range was evaluated by ASTM E647, and the effect of residual stresses on crack propagation was considered using the effective SIF concept. The test results of crack propagations were compared with the predicted data obtained by the analysis.
The problem of predicting the fracture strength behavior in orthotropic plate with a crack inclined with respect to the principal material axes is analyzed. Both the load to cause fracture and the crack direction of crack growth arc of interest. The theoretical results based on the normal stress ration theory show significant effects of biaxial loading and the fiber orientation on the crack growth angle and the critical stress. The additional term in the asymptotic expansion of the crack tip stress field appears to provide more accurate critical stress prediction.
Composite patch repair of cracked aircraft structures has been accepted as one of improving fatigue life and attaining better structural integrity. Analysis for the stress intensity factor at the skin/stiffener structure with inclined central crack repaired by composite stiffened panels are developed. A numerical investigation was conducted to characterize the fracture behavior and crack growth behavior. In order to investigate the crack growth direction, maximum tangential stress(MTS) criteria is used. The main objective of this research is the validation of the inclined crack patching design. In this paper, the reduction of stress intensity factors at the crack-tip and prediction of crack growth direction are determined to evaluate the effects of various non-dimensional design parameter including; composite patch thickness and stiffener distance. The research on cracked structure subjected to mixed mode loading is accomplished and it is evident that more work using different approaches is necessary.
The boundary element method was used for studying singularities of an interface crack with contact zones. The iterative procedure is applied to estimate the contact zone size. Because the contact zone size was extremely small in a tension field, a large number of Gaussian points were used for numerical integration of the Kernels. Stress extrapolation method and J-integral were used ofr determining stress intensity factors. When the interface crack was assumed to have opened tips, oscillatory singularities appear near the tips of the interface crack. But the interface crack with contact zone which Comninou suggested had no oscillatory behavior. The contact zone size under shear loading was much larger than that under tensile. The stress intensity factors computed by stress extrapolation method were close to those of Comninou's solution. And the stress intensity factor evaluated by J-integral was similar to that by stress extrapolation method.
The dynamic photoelasticity with the aid of Cranz-Shardin type high speed camera system is utilized to record the dynamically propagating behavior of the interface crack. This paper investigates the effects of the hole (existed along the path of the crack propagation) shape on the dynamic interface crack propagation behavior by comparing the experimental isochromatic fringes to the theoretical stress fields.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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