This paper presents a numerical investigation on kerosene-air mixture detonation and behaviors of thermal elasto-plstic thin metal tube under detonation loading based on multi-material analysis. The detonation loading is modeled by the kerosene-air mixture detonation which is compared with CJ condition and experimental cell size. And the thermal softening effect on elasto-plstic model of metal tube is indicated by different dynamic response of detonation loaded tube in various temperature and tube thickness.
This paper presents a combined numerical and theoretical study on the composite action between steel and concrete of circular steel tube confined concrete (STCC) stub columns under axial compressive loading with a full theoretical elasto-plastic model and finite element (FE) model in comparison with experimental results. Based on continuum mechanics, the elasto-plastic model for STCC stub columns was established and the analysis was realized by a FORTRAN program and the three dimensional FE model was developed using ABAQUS. The steel ratio of the circular STCC columns were defined in range of 0.5% to 2% to analyze the composite action between steel tube and concrete, and make a further study on the advantages of the circular STCC columns. By comparing the results using the elasto-plastic methods with the parametric analysis result of FE model, the appropriate friction coefficient between the steel tube and core concrete was defined as 0.4 to 0.6. Based on ultimate balance theory, the formula of ultimate load capacity applying to the circular STCC stub columns was developed.
본 연구에서는 케로신-공기 혼합물 데토네이션 계산과 다물질 해석을 기반으로 데토네이션 하중에 의한 얇은 금속관의 열탄소성 거동에 대한 수치계산을 수행하였다. 데토네이션 하중은 케로신-공기 혼합물의 데토네이션을 활용하여 모델링하였으며, 검증을 위해 해석 결과를 C-J 조건과 실험적 셀 직경을 통해 비교 검증하였다. 또한 금속의 탄성/소성 거동을 확인하기 위하여, 소성 거동은 구리의 Taylor impact 문제로, 탄성 거동은 베를리움 평판 떨림 문제를 활용하였다. 온도에 의한 관의 탄소성 거동 변화를 확인하기 위하여 동일한 데토네이션 하중 하에서 초기 온도가 다른 관의 거동을 확인하고 이론식과의 비교를 통해 열연화 효과가 고려되어야 함을 확인하였다.
We present a numerical investigation on gaseous (ethylene-air mixture) detonation in the elastoplastical metal tubes to understand the wall effects associated with the developing detonation instability. The acoustic disturbances originating from the rapidly expanding tube walls reach the detonating flame surface, thereby causing flame distortions and total energy losses. The compressible Navier-Stokes equations with equation of state for gas and elasto-plastic deformation field equations for inert tubes are solved simultaneously to understand the complex multi-material interaction in the rapidly expanding gas pipe. In order to track governing variables across the material interface, we use the hybrid particle level-set and ghost fluid methods to precisely estimate the interfacial quantities. Features observed from the deforming (thin) tube show substantially different behavior when a detonation propagates in the rigid (thick) tube with no acoustically responding wall conditions.
교량의 교각과 같은 원형기둥구조물의 성능과 강도을 향상시키기 위해 최근 콘크리트 충전강관(CFT: concrete-filled steel tube)의 적용이 점차 증가하고 있다. 이러한 콘크리트 충전강관 구조물의 정확한 소성설계를 위해서는 사용된 재료인 강재 및 콘크리트의 대변형 거동을 구현할 수 있는 소성모델이 필요하다. 본 연구에서는 사용강재의 실험을 통하여 제안된 소성모델을 적용한 탄소성 대변형 해석을 개발하였으며 콘크리트 충전강관 기둥 해석과 실험 결과에 비교하여 그 정도 및 타당성을 검증하였다. 그리고 개발된 프로그램을 이용하여 콘크리트 충전강관 기둥의 초기처짐이 극한장도에 미치는 영향 및 상관관계를 명확히 파악하였다.
Load-carrying capacity of combined members consisted of inner and sleeved tubes subjected to axial compression was investigated in this paper. Considering the initial bending of the inner tube and perfect elasto-plasticity material model, structural behavior of the sleeved member was analyzed by theoretic deduction, which could be divided into three states: the elastic inner tube contacts the outer sleeved tube, only the inner tube becomes plastic and both the inner and outer sleeved tubes become plastic. Curves between axial compressive loads and lateral displacements of the middle sections of the inner tubes were obtained. Then four sleeved members were analyzed through FEM, and the numerical results were consistent with the theoretic formulas. Finally, experiments of full-scale sleeved members were performed. The results obtained from the theoretical analysis were verified against experimental results. The compressive load-lateral displacement curves from the theoretical analysis and the tests are similar and well indicate the point when the inner tube contacts the sleeved tube. Load-carrying capacity of the inner tube can be improved due to the sleeved tube. This paper provides theoretical basis for application of the sleeved members in reinforcement engineering.
The failure of a thin-walled tube was studied in this paper based on three failure models. Both proportional and non-proportional loading paths were applied. Proportional loading consisted of combined tension-torsion. Cyclic non-proportional loading was also applied. It was a circular out-of-phase axial-shear stress loading path. The third loading path was a combination of a constant internal pressure and a bending moment. The failure models under study were equivalent plastic strain, modified Mohr-Coulomb (Bai-Wierzbicki) and Tearing parameter models. The elasto-plastic analysis was conducted using J2 criterion and nonlinear kinematic hardening. The return mapping algorithm was employed to numerically solve the plastic flow relations. The effects of the hydrostatic stress on the plastic flow and the stress triaxiality parameter on the failure were discussed. Each failure model under study was utilized to predict failure. The failure loads obtained from each model were compared with each other. The equivalent plastic strain model was independent from the stress triaxiality parameter, and it predicted the highest failure load in the bending problem. The modified Mohr-Coulomb failure model predicted the lowest failure load for the range of the stress triaxiality parameter and Lode's angle.
Failure assessment of steam generator tube are very important for the integrity of energy plants. In pipes of energy plants, sometimes, the local wall thinning may result from severe erosion-corrosion damage. Recently, the effects of local wall thinning on fracture strength and fracture behavior of piping system have been well studied. In this paper, the elasto-plastic analysis is performed by FE code ANSIS on steam generator tube with wall thinning. We evaluated the failure mode, fracture strength and fracture behavior from FE analysis. It was possible to predict the crack initiation point by estimating true fracture ductility under multi-axial stress conditions at the center of the thinned area.
Sixteen concrete filled square CFRP-steel tubular (S-CFRP-CFST) stub columns under axial compression were experimentally investigated. The experimental results showed that the failure mode of the specimens is strength loss of the materials, and the confined concrete has good plasticity due to confinement of the CFRP-steel composite tube. The steel tube and CFRP can work concurrently. The load versus longitudinal strain curves of the specimens can be divided into 3 stages, i.e., elastic stage, elasto-plastic stage and softening stage. Analysis based on finite element method showed that the longitudinal stress of the steel tube keeps almost constant along axial direction, and the transverse stress at the corner of the concrete is the maximum. The confinement effect of the outer tube to the concrete is mainly focused on the corner. The confinements along the side of the cross-section and the height of the specimen are both non-uniform. The adhesive strength has little effect both on the load versus longitudinal strain curves and on the confinement force versus longitudinal strain curves. With the increasing of the initial stress in the steel tube, the load carrying capacity, the stiffness and the peak value of the average confinement force are all reduced. Equation for calculating the load carrying capacity of the composite stub columns is presented, and the estimated results agree well with the experimental results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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