A time-dependent large deformation fracture theory is developed for application to soft biological tissues. The theory uses the quasilinear viscoelastic theory of Fung, and particularizes it to constitutive assumptions on polyvinyl-chloride (PVC) (Part I) and cartilage (Part II). This constitutive theory is used in a general viscoelastic theory by Christensen and Naghdi and an energy balance to develop an expression for the fracture toughness of the materials. Experimental methods are developed for measuring the required constitutive parameters and fracture data for the materials. Elastic stress and reduced relaxation functions were determined using tensile and shear tests at high loading rates with rise times of 25-30 msec, and test times of 150 sec. The developed method was validated, using an engineering material, PVC to separate the error in the testing method from the inherent variation of the biological tissues. It was found that the the proposed constitutive modeling can predict the nonlinear stress-strain and the time-dependent behavior of the material. As an approximation method, a pseudo-elastic theory using the J-integral concept, assuming that the material is a time-independent large deformation elastic material, was also developed and compared with the time-dependent fracture theory. For PVC. the predicted fracture toughness is $1.2{\pm}0.41$ and $1.5{\pm}0.23\;kN/m$ for the time-dependent theory and the pseudo-elastic theory, respectively. The methods should be of value in quantifying fracture properties of soft biological tissues. In Part II, an application of the developed method to a biological soft tissue was made by using bovine humeral articular cartilage.
Kim, Youngwoo;Kang, Namhyun;Park, Youngdo;Choi, Ildong;Kim, Gyosung;Kim, Sungkyu;Cho, Kyungmox
Korean Journal of Metals and Materials
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v.46
no.12
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pp.780-787
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2008
For the advanced high strength steels (AHSS), high-manganese TWIP (twinning induced plasticity) steels exhibit high tensile strength (800-1000 MPa) and high elongation (50-60%). However, the TWIP steels need to be understood of delayed fracture following the cup drawing test. Among the factors to cause delayed fracture, i.e, martensite transformation, hydrogen embrittlement and residual stress, the effects of martensite transformation (${\gamma}{\rightarrow}{\varepsilon}$ or ${\gamma}{\rightarrow}{\alpha}^{\prime}$) were investigated on the delayed fracture phenomenon. Microstructural phase analysis was conducted for cold rolled (20, 60, 80% reduction ratio) steels and tensile deformed (20, 40, 60% strain) steels. For the Al-added TWIP steels, no martensite phase was found in the cold rolled and tensile deformed specimen. But, the TWIP steels with no Al addition indicated the martensite transformation. The cup drawing specimens showed the martensite transformation irrespective of the Al-addition to the TWIP steel. However, the TWIP steel with no Al exhibited the larger amount of martensite than the case of the TWIP steel with Al addition. For the reason, it was possible to conclude that the Al addition suppressed the martensite transformation in TWIP steels, therefore preventing the delayed fracture effectively. However, it was interesting to note that the mechanism of delayed fracture should be incorporated with hydrogen embrittlement and/or residual stress as well as the martensite transformation.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.33
no.7
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pp.559-564
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2016
The objectives of this paper are to develop a finite element analysis model to analyze press-fitted and bending load conditions in a press-fitted assembly, and propose a hub shape optimization method to minimize contact pressure near the shaft contact edge. Numerical asymmetric-axisymmetric finite element models have been developed to predict contact stress on press-fitted shafts. The global optimization method, genetic algorithm, local optimization method, and sequential quadratic programming were applied to a press-fitted assembly to optimize the hub contact edge geometry. The results showed that the maximum contact pressure with the optimized hub shape decreased more than 60 % compared to conventional hubs and the maximum contact stress affecting fatigue life was reduced about 47 %. Hub shape optimization can be useful to increase the load capability of press fits in terms of wear and fatigue behavior.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.7
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pp.1285-1293
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1992
The fracture behavior of glass/epoxy plain woven composite plates containing circular holes is experimentally investigated to examine the effects of hole size and specimen width on notched tensile strength. It is shown in this paper that the characteristic length according to the point stress criterion depends on the hole size and specimen width. For predicting the notched tensile strength, a modified failure criterion is developed. An excellent agreement is found between the experimental results and the analytical prediction of modified failure criterion. The notched strength and the characteristic length have an increase and decrease relations. When the unstable fracture occured, the critical crack length equivalent for the damage zone size at the edge of hole is about twice the characteristic length. The critical energy release rate G$_{c}$ is independent of hole size(0.03 .leq. 2R/W .leq. 0.5) under the same specimen width. However G$_{c}$ increases with an increase in specimen width which can be explained by stress relaxation due to the notch insensitivity.ity.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2005.06a
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pp.1682-1685
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2005
System algorithms estimated by deterministic input may occur the error between predicted and actual output. Especially, actual system can't predict the exact outputs due to uncertainty and tolerance of input parameters. A single output to a set of inputs has a limited value without the variation. Hence, we should consider various scatters caused by the load assessment, material characteristics, stress analysis and manufacturing methods in order to perform the robust design or estimate the reliability of structure. The system design with uncertainty should perform the probabilistic structural optimization with the statistical response and the reliability. This method calculated the probability distributions of the characteristics such as stress by combining stress analysis, response surface methodology and Monte-Carlo Method and got the probabilistic sensitivity. The sensitivity of structural response with respect to inconstant design variables was estimated by fracture probability. Therefore, this paper proposed the probabilistic reliability design method for fracture of uncorved freight end beam and the design criteria by fracture probability.
Park June-soo;Song Ha-cheol;Yoon Ki-seok;Choi Taek-sang;Park Jai-hak
Journal of Mechanical Science and Technology
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v.19
no.11
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pp.1988-1997
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2005
This study is concerned with structural integrity evaluations for the interference-fit flywheels in reactor coolant pumps (RCPs) of nuclear power plants. Stresses in the flywheel due to the shrinkage loads and centrifugal loads at the RCP normal operation speed, design overspeed and joint-release speed are obtained using the finite element method (FEM), where release of the deformation-controlled stresses as a result of structural interactions during rotation is considered. Fracture mechanics evaluations for a series of cracks assumed to exist in the flywheel are conducted, considering ductile (fatigue) and non-ductile fracture, and stress intensity factors are obtained for the cracks using the finite element alternating method (FEAM). From analysis results, it is found that fatigue crack growth rates calculated are negligible for smaller cracks. Meanwhile, the material resistance to non-ductile fracture in terms of the critical stress intensity factor (K$_{IC}$) and the nil-ductility transition reference temperature (RT$_{NDT}$) are governing factors for larger cracks.
This paper provides approximate J estimates for off-centred, circumferential through-wall cracks in cylinders under bending. The proposed method is based on the reference stress approach, where the dependence of elastic and plastic influence functions of J on the cylinder/crack geometry, the off-centred angle and strain hardening is minimised through the use of a proper normalising load. Based on published limited FE results for off-centred, circumferential through-wall cracks under bending, such normalising load is found, based on which the reference stress based J estimates are proposed for more general cases, such as for a different cylinder geometry. Comparison of the estimated J with extensive FE J results shows overall good agreements for different crack/cylinder geometries which provides sufficient confidence in the use of the proposed method to fracture mechanics analyses of off-centred circumferential cracks. Furthermore, the proposed method is simple to use, giving significant merits in practice.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.23
no.11
s.170
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pp.2022-2032
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1999
In recent years, the subject of remaining life assessment has drawn considerable attention in the power generation industry. In power generation systems a variety of structural components, such as steam pipes, turbine rotors, and superheater headers, typically operate at high temperatures and high pressures. Thus a life prediction methodology accounting for fracture and rupture is increasingly needed for these components. For accurate failure assessment, in addition to the single parameter such as K or J-integral used in traditional fracture mechanics, the second parameter like T-stress describing the constraint is needed. The most critical defects in such structures are generally found in the form of semi-elliptical surface cracks in the welded piping-joints. In this work, selecting the structures of surface-cracked plate and straight pipe, we first perform line-spring finite element modeling, and accompanying elastic-plastic finite element analyses. We then present a framework for including constraint effects (T-stress effects) in the R6 failure assessment diagram approach for fracture assessment.
Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers
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v.19
no.4
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pp.1-8
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2020
Mechanical components that support structures in aerospace and power generation industries require high-strength materials. Particularly, in the aerospace industry, aluminum alloys, titanium alloys, and composite materials are increasingly used due to their high maneuverability and durability to withstand low temperature extreme environments; however, ultra-high-strength steel is still used in key components under heavy loads such as landing gears. In this paper, the fault cause analysis and troubleshooting of aircraft parts made of ultra-high-strength steel (300M) broken during normal operation are described. To identify the cause of the defect, a temporary inspection of the same aircraft was performed, and material testing, non-destructive inspection, microstructure examination, and fracture area inspection of the damaged parts were performed. Fracture analysis results showed that a crack in the shape of a branch developed from the tool mark in the direction of the intergranular strain. Based on the results, the cause of fracture was confirmed to be stress corrosion.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2006.04a
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pp.275-282
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2006
System algorithms estimated by deterministic input may occur the error between predicted and actual output. Especially, actual system can't predict the exact outputs due to uncertainty and tolernce of input parameters. A single output to a set of inputs has a limited value without the variation. Hence, we should consider various scatters caused by the load assessment, material characteristics, stress analysis and manufacturing methods in order to perform the robust design or etimate the reliability of structure. The system design with uncertainty should perform the probabilistic structural optimization with the statistical response and the reliability. This method calculated the probability distributions of the characteristics such as stress by combining stress analysis, response surface methodology and Monte Carlo simulation and got the probabilistic sensitivity. The sensitivity of structural response with respect to in constant design variables was estimated by fracture probability. Therefore, this paper proposed the probabilistic reliability design method for fracture of uncorved freight end beam and the design criteria by fracture probability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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