Modelling of a crack propagating through a finite element mesh under mixed mode conditions is of prime importance in fracture mechanics. In this paper, two crack growth criteria and the respective crack paths prediction in functionally graded materials (FGM) are compared. The maximum tangential stress criterion (${\sigma}_{\theta}-criterion$) and the minimum strain energy density criterion (S-criterion) are investigated using advanced finite element technique. Using Ansys Parametric Design Language (APDL), the variation continues in the material properties are incorporated into the model by specifying the material parameters at the centroid of each finite element. In this paper, the displacement extrapolation technique (DET) proposed for homogeneous materials is modified and investigated, to obtain the stress intensity factors (SIFs) at crack-tip in FGMs. Several examples are modeled to evaluate the accuracy and effectiveness of the combined procedure. The effect of the defects on the crack propagation in FGMs was highlighted.
This study investigates a relationship between fracture mechanics parameters (Stress Intensity Factor Range: ΔK, Maximum Stress Intensity Factor; Kmax) and X-ray parameters (residual stress:$\sigma$r half-value breadth: B) for SG365 steel at elevated temperature up to 30$0^{\circ}C$. The fatigue crack propagation test were carried out and X-ray diffraction technique according to the direction of crack length was applied to fatigue fractured surface. The residual stress on the fracture surface was found to increase at low ΔK region, to reach a maximum value at a certain value of Kmax or ΔK and then to decrease. Residual stress was independent of stress ratio by arrangement of ΔK and half value breadth were independent of the arrangement of Kmax. The equation of $\sigma$r-ΔK was established by the experimental data. therefore, fracture mechanics parameters could be estimated by the measurement of X-ray parameters.
Young Cheol Kim;Geunsu Joo;Jisang Park;Woo-Kyoung Lee;Min-Gyu Kang;Ji Hoon Kim
Journal of Wind Energy
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제14권3호
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pp.83-90
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2023
The purpose of this study is to evaluate the inter-laminar fracture toughness characteristics of CFRP pultrusion spar cap materials reinforced with non-woven glass fabric. Test specimens were fabricated by the infusion technique. A non-woven glass fabric and artificial defects were embedded on the middle surface between two pultruded CFRP panels. Double cantilever beam (DCB) and End Notched Flexure (ENF) tests were performed according to ASTM standards. Fracture toughness and crack propagation characteristics were evaluated with load-displacement curves and delamination resistance curves (R-Curve). The fracture toughness results were calculated by compliance calibration (CC) method. The initiation and propagation values of Mode-I critical strain energy release rate value GIc were 1.357 kJ/m2 and 1.397 kJ/m2, respectively, and Mode-II critical strain energy release rate values GIIc were 4.053 kJ/m2 for non-precracked test and 4.547 kJ/m2 for precracked test. It was found that the fracture toughness properties of the CFRP pultrusion spar-cap are influenced by the interface between the layers of CFRP and glass fiber non-woven.
Delaunay triangulation is combined with an adaptive finite element method for analysis of two-dimensional crack propagation problems. The content includes detailed descriptions of the proposed procedure which consists of the Delaunay triangulation algorithm and an adaptive remeshing technique. The adaptive remeshing technique generates small elements around the crack tips and large elements in the other regions. Three examples for predicting the stress intensity factors of a center cracked plate, a compact tension specimen, a single edge cracked plate under mixed-mode loading, and an example for simulating crack growth behavior in a single edge cracked plate with holes, are used to evaluate the effectiveness of the procedure. These examples demonstrate that the proposed procedure can improve solution accuracy as well as reduce total number of unknowns and computational time.
Patel, Bhavana S.S.;Narayan, Babu K.S.;Venkataramana, Katta
Structural Engineering and Mechanics
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제59권5호
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pp.901-920
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2016
MeshFree methods have become popular owing to the ease with which high stress gradients can be identified and node density distribution can be reformulated to accomplish faster convergence. This paper presents a strategy for nodal density refinement with strain energy as basis in Element-Free Galerkin MeshFree technique. Two popular flat plate problems are considered for the demonstration of the proposed strategies. Issue of integration errors introduced during nodal density refinement have been addressed by suggesting integration cell refinement. High stress effects around two symmetrical semi-circular notches under in-plane axial load have been addressed in the first problem. The second considers crack propagation under mode I and mode II fracture loading by the way of introducing high stress intensity through line crack. The computational efficacy of the adaptive refinement strategies proposed has been highlighted.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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제38권3호
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pp.93-106
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2001
T-joint and hopper knuckle joint models are typical welded joints in ship structure, which are very susceptible to fatigue damage under service condition. Fatigue test and fracture mechanical analysis were performed on these joints to find out characteristics of fatigue behavior. Unified S-N curve was developed from the test results of these two types of joint using hot spot stress concept, and also propagation life was also estimated using Paris' crack propagation law. Residual stress effect on propagation life was considered in calculating propagation life, as was done with thermo-elasto-plastic FE analysis and residual stress intensity factor calculation. Fatigue life of similar kinds of welded joint could be predicted with this unified S-N curve and fracture mechanical analysis technique.
At Aspo hard rock laboratory in Sweden, an in-situ heater experiment called "$\"{A}"{s}"{p}"{o}$ Pillar Stability Experiment (APSE)" is prepared to assess capability to predict spatting and stability in a rock mass between deposition holes for radioactive waste. To Predict reasonably fracturing process at rock pillar under a planned configuration before testing, a boundary element code FRACOD has been applied for modelling. The code has been improved to simulate explicitly fracture evolution both at rock boundaries and in intact rocks. A new inverse stress reconstruction technique using boundary element has been also developed to transfer stress field by excavation and thermal loading into the FRACOD model. This article presents the results from predictive modelling far the planned in-situ test condition. Excavation induced stresses might cause slight fracturing in the pillar walls. Typical shear fractures have been initiated and propagated near central pillar walls during 120 days of heating, but overall rock mass remained stable under the considered configuration. The effects of pre-existing joints and properties of fractures are also discussed. It is found from the results that FRACOD can properly model essential rock spatting and propagation at deep tunnels and boreholes.at deep tunnels and boreholes.
Recently, with the development of high-performance processing devices such as GPGPU, a three-dimensional dynamic analysis technique that can replace expensive rock material impact tests has been actively developed in the defense and aerospace fields. Experimentally observing or measuring fracture processes occurring in rocks subjected to high impact loads, such as blasting and earth penetration of small-diameter missiles, are difficult due to the inhomogeneity and opacity of rock materials. In this study, a three-dimensional dynamic fracture process analysis technique (3D-DFPA) was developed to simulate the fracture behavior of rocks due to impact. In order to improve the operation speed, an algorithm capable of GPGPU operation was developed for explicit analysis and contact element search. To verify the proposed dynamic fracture process analysis technique, the dynamic fracture toughness tests of the Straight Notched Disk Bending (SNDB) limestone samples were simulated and the propagation of the reflection and transmission of the stress waves at the rock-impact bar interfaces and the fracture process of the rock samples were compared. The dynamic load tests for the SNDB sample applied a Pulse Shape controlled Split Hopkinson presure bar (PS-SHPB) that can control the waveform of the incident stress wave, the stress state, and the fracture process of the rock models were analyzed with experimental results.
The characteristics of elastic waves emanated from crack initiation in 6061 aluminum alloy subjected to fatigue loading are investigated through experiments. The objective of the study is to determine the differences in the properties of the signals generated from fatigue test and also to examine if the sources of the waves could be identified from the temporal and spectral characteristics of the acoustic emission (AE) waveforms. The signals are recorded using nonresonant, flat, broadband transducers attached to the surface of the alloy specimens. The time dependence and power spectra of the signals recorded during the tests were examined and classified according to their special features. Six distinct types of signals were observed. The waveforms and their power spectra were found to be dependent on the crack propagation stage and the type of fracture associated with the signals. The potential application of the approach in health monitoring of structural components using a network of surface mounted broadband sensors is discussed.
Park Sungil;Lee Sangjin;Byun Seopong;Hwang Seoungtack
Korean Journal of Materials Research
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제15권9호
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pp.560-565
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2005
The objective of this paper is to decide optimal of the slot angle to minimize stress concentration in rotating disc of diamond saw. The fracture phenomena of the slot are discussed by the theoretical and experimental approaches and then some recommendation are presented to prevent the fracture. The focus of this investigation is to evaluation the effect of the slot on stress distribution using optimum design technique and finite element method(FEM) analysis. Stress concentration of the slot with respect to the various parameter of the slot such position, size, number, rotation speed. From the experimental results, when the slot angle of diamond saw is located $8^{\circ}\~12^{\circ}$ from rotating direction, the maximum equivalent stress reduces.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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