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.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.31
no.9
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pp.26-31
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2003
Aging aircraft accumulates widespread fatigue damage commonly referred to as multiple site damage(MSO). For ductile material such as 2024-T3 aluminum, MSO may lower the service life below that which is predicted by conventional fracture mechanics. The present paper is concerned with the fatigue life extension by pre-indentation technique for thin 2024-T3 aluminum plate to decelerate the crack propagation rate in the panels with MSO. The panel with fastener holes can be simply modelled by Hole/Slot type Middle-Tension specimen. Results of fatigue testing show significantly improving failure cycles from 10 to 40 times. This retardation effect is decreased by increasing the loading level in the constant amplitude loading. In the sense of retardation mechanism, the crack propagation rate is gradually attenuated by entering the indentation mark and maintains at the lowest value for a long period after the edge of crack passes the center of indentation area.
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.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.14
no.4
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pp.751-759
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1994
Concrete contains numerous microcracks initially. The growth and propagation of microcracks cause failure of concrete. These processings are termed as "damage". The concepts of the continuum damage mechanics are presented and the damage evolution law and constitutive equation are derived by using the Helmholz free energy and the dissipation potential by means of the thermodynamic principles. The constitutive equation includes the effects of elasticity, damage and plasticity of concrete. The proposed model successfully predicts the nonlinear behavior of concrete subject to monotonic uniaxial and biaxial loadings.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2004.10a
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pp.534-541
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2004
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.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2003.04a
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pp.357-365
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2003
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.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.11a
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pp.889-893
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2004
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.
Ha, Nam;Chae, Kwan-Suk;Hong, Dong-Pyo;Chae, Hee-Chang
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2004.11a
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pp.870-874
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2004
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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