In this paper, cracks with different angles are prefabricated in rock specimens to study the fracture characteristics of rock based on CT images. The rock specimens are prepared for compression tests according to the standard recommended by ISRM (International Society for Rock Mechanics). The effects of different angles on rock mechanical properties and crack propagation fracture modes are analyzed. Then, based on the cohesive element method and CT images, the relationship between porosity and Young's modulus as well as the fracture property is explored by the numerical modelling. In the modelling, the distribution of Young's modulus is determined by the CT image through the field variable method. The results show that prefabricated cracks reduce the mechanical properties of rock. The closer the angles of the prefabricated crack is, the greater the Young's modulus of the rock sample is. The failure process of each specimen with prefabricated cracks is formed by the initiation and propagation of crack, and the angle of the prefabricated crack will affect the type of extended crack. As part of the numerical model proposed in this paper, the microstructure of rocks is reflected by CT images. The numerical results verify the effectiveness of the cohesive element method in the study of crack propagation for rock. The rock model in this paper can be used to predict engineering disasters such as collapse and landslide caused by rock fracture, which means that the methodology adopted in this paper is comprehensive and important to solve rock engineering problems.
The size-effect study of various fracture parameters obtained from two parameter fracture model, effective crack model, double-K fracture model and double-G fracture model is presented in the paper. Fictitious crack model (FCM) for three-point bend test geometry for cracked concrete beam of laboratory size range 100-400 mm is developed and the different fracture parameters from size effect model, effective crack model, double-K fracture model and double-G fracture model are evaluated using the input data obtained from FCM. In addition, the fracture parameters of two parameter fracture model are obtained using the mathematical coefficients available in literature. From the study it is concluded that the fracture parameters obtained from various nonlinear fracture models including the double-K and double-G fracture models are influenced by the specimen size. These fracture parameters maintain some definite interrelationship depending upon the specimen size and relative size of initial notch length.
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.
Not only difference of fatigue crack growth and propagation behavior resulted from the grain size, the hardness ratio and volume fraction in M.E.F. dual phase steel composed of martensite in hard phase and ferrite in soft phase, but also the effects of the plastic constraint were investigated by fracture mechanics and microstructural method. The main results obtained are as follows: 1) The fatigue endurance of M.E.F. steel increases with decreasing the grain size, increasing the ratio of hardness and volume fraction. 2) The initiation of slip and crack occures faster as the stress level goes higher. These phenomena result from the plastic constraint effect of the second phase. 3) The crack propagation rate in the constant stress level is faster as the grain size gets larger, the ratio of hardness lower and volume fraction smaller.
Fatigue crack propagation rate and threshold characteristics of the SA516/70 steel which is used for the low temperature pressure vessels, were studied in the room temperature of $25^{\circ}C$ and low temperature ranges of $-10^{\circ}C,\;-30^{\circ}C,\;-60^{\circ}C\;and\;-80^{\circ}C$ with stress ratio of R=0.1. In the logarithmic relationship between the fatigue crack propagation rate($d{\alpha}/dN$) and stress intensity factor range ${\Delta}K$, the linear relationship was obtained up to $d{\alpha}/dN=4.425{\times}10^4mm/cycle$ in the same of room temperature, but in low temperature case, the relationship was extended to the range of low crack propagation rate. The fractured specimens were examined by SEM. Tested results showed that specimen failed at low temperature exhibit the quasi-cleavage fracture formation however considerable ductility proceed final fracture.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.38
no.3
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pp.74-83
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2001
After the concept of fracture mechanics was applied to fatigue crack propagation by Paris. Paris' law is widely used to predict fatigue crack growth behavior. Since Elber proposed the effective stress intensity factor(SIF) and showed a good agreement with experimental results using the proposed SIF, emphasis in crack propagation studies has been placed on measuring the effective stress range ratio. This paper proposes a numerical model to simulate the crack closure and propagation behaviour under various loading spectrum. The validity of the proposed model is checked by comparing with the Toyosada numerical solutions on the crack propagation behaviour. Important insights developed are summarized.
Fracture of Al2O3 tubes for different loading path under combined tension/torsion was investigated. Macroscopic directions of crack propagation agreed well with the maximum principal stress criterion, independent of the loading path. However, fracture strength from the proportional loading test(τ/σ= constant) showed either strengthening or weakening compared to that from uniaxial tension, depending on the ratio τ/σ. The Weibull theory was capable to predict the strengthening of fracture strength in pure torsion, but not the weakening in the proportional loading condition. The strengthening or weakening of fracture strength in the proportional loading condition was explained by the effect of shear stresses in the plane of randomly oriented microdefects. Finally, a new empirical fracture criterion was proposed. This criterion is based on a mixed mode fracture criterion and experimental data for fracture of Al2O3 tubes under combined tension/torsion. The proposed fracture criterion agreed well with experimental data for both macroscopic directions of crack propagation and fracture strengths.
Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers
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v.7
no.8
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pp.248-261
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1999
The fatigue life of mechanical components and structures has been influenced by mechanical, material and environmental conditions. It is important to search out the load type and size for accurate cause of fracture at the damaged surface of material. The fractographic method by x-ray diffraction can utilize residual stress $\sigma$_r and half-value breadth B and find out the types and the mechanical conditions of fracture. This study showed the relationship between fracture mechanical parameters $\Delta$K, $K_{max}$ and X-ray residual stress $\sigma$_r for normalized SS41 steel with homogeneous crystal structure and M.E.F. dual phase steel(martensite encapsulated islands of ferrite). The fatigue crack propagation tests were carried out under stress ratios 0.1 and 0.5. The x-ray diffraction technique according to crack propatation direction was applied to fatigue fractured surface. Residual stress $\sigma$_r was independent on stress ratios by arrangement of $\Delta$K. The equation of $\sigma$_r$\Delta$K was established by the experimental data. Therefore, fracture mechanical parameters can be estimated can be estimated by the measurement of X-ray parameters.
Corrosion fatigue fracture of dual phase steel(SS41) and raw material steel(SS41) were investigated in 3.5% NaCl aqueous solution at PH 4,6,9 and 11. The fatigue limit of dual phase steel is increased approximately 1.8 times larger than that of raw material in air. The corrosion fatigue life of dual phase steel is about 5-10 times larger than that of raw material in 3.5% NaCl aqueous solution. The reduction of fatigue life is larger for the acidsalt solution than for the alkali salt solution. The reduction of stress level on the reduction ratio of corrosion fatigue life is large as pH 6-11. The reduction ratio of corrosion fatigue life of dual phase steel and raw material is nearly coincided at pH 2. While at pH4-2 the reduction ratio of corrosion fatigue life only depends on the corrosion effect. It has been found that the corrosion resistance effect of dual phase steel is smaller than that of raw material in corrosion fatigue crack propagation rate. As pH below 6 is changed, it can be clearly observed from raw material that the brittle intergranular fracture is characterized, and from the above result, the influence of corrosion of dual phase steel is small.
In order to observe the internal damage of concrete in real time, we introduced acoustic emission nondestructive detecting technology into a series of fracture tests; the test results revealed the whole process that concrete undergoes when it sustains damage that leads to failure, according to the change rules of the acoustic emission parameters. The results showed that both the initiation and unstable loads can be accurately determined using the abrupt change of the acoustic emission rate curves and the turning point of the acoustic emission parameters' accumulative curves. The whole process, from damage to failure, includes five phases, beginning with damage, such as cracking, a stable crack growth process, a critical unstable stage, and unstable propagation. The brittle fracture characteristics of concrete change when steel bars are joined, because the steel bars and the concrete structure bond, which causes an increase in the acoustic emission signals within the fracture process of the reinforced concrete. The unstable propagation stage is also extended. Our research results provide a valid methodology and technical explanations, which can help researchers to monitor the cracking process of concrete structures, in real time, during actual projects.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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