In this work we simulate explicitly the dynamic fracture propagation in reinforced concrete beams. In particular, adopting cohesive theories of fracture with the direct simulation of fracture and fragmentation, we represent the concrete matrix, the steel re-bars and the interface between the two materials explicitly. Therefore the crack nucleation within the concrete matrix, through and along the re-bars, the deterioration of the concrete-steel interface are modeled explicitly. The numerical simulations are validated against experiments of three-point-bend beams loaded dynamically under various strain rates. By extracting the crack-tip positions and the crack mouth opening displacement history, a two-stage crack propagation, marked by the attainment of the peak load, is observed. The first stage corresponds to the stable crack advance, the second one, the unstable collapse of the beam.
In the analysis of fatigue crack propagation behavior, the crack length is one of the most important factors. In the test of crack propagation, compliance method is widely used to detect crack length. The measurement of surface crack length is not so easy with compliance method. In this study, the image processing technique was applied to measure the surface crack length. CCD(Charge-coupled device) camera was used to observe the crack image and the computer program to detect crack length from stored crack image was developed. CCT(Center Cracked Tension) specimen was used to compare the compliance method with the image processing technique. The crack length which detected by the image processing techniques was found to be well consistent with that from the optical measurement.
In this study, we have investigated the closure behavior of fatigue cracks in SAPH440 steel plates under a mixed-mode I+II loading. A crack image capturing system as a direct measuring method was used to measure the closure levels at a crack tip. The crack closure levels in the fluctuation and stable sections were increased with the increase of the mode mixture ratio. The mode mixture ratio independent fatigue crack propagation rates equation was calculated by considering mixed-mode crack closure levels. The equation was examined according to the application method of crack opening ratio. The fracture surface analysis by C-scan method was also performed in order to investigate the closure mechanism and propagation mode of crack under the mixed-mode I+II loading. The crack closure under the mixed mode I+II is confirmed as a surface roughness closure by the quantitative analysis of fracture surface using the proposed surface roughness parameter.
Fatigue crack initiation and propagation behavior under cyclic biaxial loading has been investigated using thin-walled tubular specimen with a hole. Two types of biaxial loading system, i.e. cyclic tensile loading with super-imposed static torsional load and cyclic torsional loading with superimposed static tensile load, with various values of the biaxial loading ratio, $\tau$ s/ $\sigma$ max (or $\tau$ max/ $\sigma$s) were employed. Fatigue tests show that fatigue crack near the hole initiates and propagates at 900 and 450 direction to the longitudinal direction of the specimen under cyclic tensile and torsion loading with static biaxial stress, respectively, and the static biaxial stress doesn't have any great influence on fatigue crack initiation and growth direction. Stress analysis near the hole of the specimen shows that the crack around the hole initiates along the plane of maximum tangential stress range. Fatigue crack growth rates were evaluated as functions of equivalent stress intensity factor range, strain energy density factor range and crack tip opening displacement vector, respectively. It is shown that the biaxial mode fatigue crack growth rates can be relatively consistently predicted with these cyclic parameters.
For the improvement of safety and endurance in welded steel structure, it is needed to consider welding residual stress distribution and rolling directional characteristics of materials. In this study, it was investigated experimentally about characteristics of fatigue crack propagation according to welding residual stress and rolling in FCAW(flux cored arc welding) butt-jointed steel plates. SS400 steel plates of 3mm thickness were selected and tested for this study. When the angles between tensile loading direction and rolling direction in welded materials are increased from $0^{\circ}\;to\;90^{\circ}$, their fatigue crack propagation rates are increased. These results are same as predicted increments of fatigue crack propagation rate when stress ratio is increased from 0 to 0.5. When the angles of rolling direction and welding direction to tensile loading direction are $0^{\circ}\;and\;90^{\circ}$ respectively, fatigue crack propagation rate in welded material is lowest.
Since delamination often propagates at the interfacial layer between a surface skin and a foam core, a crack arrester is proposed for the suppression of the delamination. The arrester has a semi-cylindrical shape and is arranged in the foam core and is attached to the surface skin. Here, energy release rates and complex stress intensity factors are calculated using finite element analysis. Effects of the arrester size and its elastic moduli on the crack suppressing capability are investigated. Considerable reductions of the energy release rates at the crack tip are achieved as the crack tip approached the leading edge of the crack arrester. Thus, this new concept of a crack arrester may become a promising device to suppress crack initiation and propagation of the foam core sandwich panels.
The effect of stress waveforms on corrosin fatigue and the role of dissolution mechanism in 3NilCr steel and 20Ni maraging steel have been investigated in aerated 3% NaCl solution and synthetic seawater under sinusoidal, triangular, square, positive sawtooth, negative sawtooth, and trapezoidal stress waveforms with open circuit at frequency of 1Hz and stress ratio of 0.1. The crack growth rates under square waveform were substantially lower than under sinusoidal and triangular waveforms, but the crack growth rates under sinusoidal waveform were slightly higher under triangular waveform. For a given frequency the growth rates under the positive sawtooth waveform are higher than those under the negative sawtooth waveform. The fatigue crack growth rates of most specimens were in good agreement with the values calculated by the model based on the dissoultion mechanism.
To clarify the characteristics of surface damage due to fretting in press-fitted shaft, experimental methods were applied to small scale specimen with different bending load condition. Fatigue tests and interrupted fatigue tests of press-fitted specimen were carried out by rotate bending fatigue test. Macroscopic and microscopic characteristics were examined using scanning electron microscope (SEM), optical microscope or profilometer. It is found that small fatigue cracks are nucleated early in life regardless of bending stress, and thus the most portion of fatigue life on press fits can be considered to be crack propagation process. Most of surface cracks are initiated near the contact edge, and multiple cracks are nucleated and interconnected. Furthermore, the fretting wear rates at the contact edge are increased rapidly at the initial stage of total fatigue life. It is thus suggested that the fatigue crack nucleation and propagation process is strongly related to the evolution of surface profile by fretting wear in press fits.
The fatigue crack propagation behaviors of Z3CN20.09M duplex stainless steel (DSS) were investigated by studying oxide films of specimens tested in $290^{\circ}C$ water and air. The results indicate that a full oxide film that consisted of oxides and hydroxides was formed in $290^{\circ}C$ water. By contrast, only a half-baked oxide film consisting of oxides was formed in $290^{\circ}C$ air. Both environments are able to deteriorate the elastic modulus and hardness of the oxide films, especially the $290^{\circ}C$ water. The fatigue lives of the specimens tested in $290^{\circ}C$ air were about twice of those tested in $290^{\circ}C$ water at all strain amplitudes. Moreover, the crack propagation rates of the specimen tested in $290^{\circ}C$ water were confirmed to be faster than those tested in $290^{\circ}C$ air, which was thought to be due to the deteriorative strength of the oxide films induced by the mutual promotion of oxidation and crack propagation at the crack tip. It is noteworthy that the crack propagation can be postponed by the ferrite phase in the DSS, especially when the specimens were tested in $290^{\circ}C$ water.
In this paper, fatigue tests were carried out at stress test levels of 461 MPa, 441 MPa, and 431 MPa by using smooth specimen of$2_{1/4}$ Cr-1 Mo steel with the stress ratio(R) of 0.05. The initiation, growth and coalescense process of the major cracks and sub-cracks among the fatigue cracks on the smooth specimen are investigated and measured under each stress level at a constant cycle ratio by the replica technique with optical microscope. Some of the important results are as follows: In spite of the difference of stress levels, the major crack data gather into a small band in the curve of surface crack length and crack depth against cycle ratio N/Nf. The sub-crack data, however, deviate from the band of the major crack. The growth rates, da/dN, of major and sub-crack plotted against the stress intensity factor range, ${\Delta}K$, have the tendency to be compressed on a relatively small band. But it is more effective to predict fatigue life through major cracks. The propagation behavior of surface microcracks on the smooth specimens coincides with that of the specimen having an artificial small surface defect or through crack.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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