When a crack meets bimaterial interface stress singularity depends on the elastic constants of the adjacent materials. In the present study we are going to describe the finite element formulation for problems with a crack to be embedded in the stiffer material$({\mu}_2/{\mu}_1)$. The cubic isoparametric singular element, represented by adequately shifting the mid-side nodes adjacent to the crack tip is constructed to enclose the crack tip. An alternative method to obtain the optimal position of the mid-side nodes of cubic isoparametric elements is presented. In addition, a proper definition for the stress intensity factors of a crack normal to bimaterial interface is provided. It is based upon near a tip displacement solutions. Models for numerical analysis are two dimensional elastic bodies with a through crack under plain strain. The results obtained are compared with the previous solutions.
Abdi's numerical method(ref.13) for representing a stress singularity by shifting the mid-side nodes of isoparametric elements is reviewed. A simple technique to obtain the optimal position of the mid-side nodes in quadratic isoparametric finite element is presented. From this technique we can directly obtain the position of the side-nodes adjacent to the crack tip. It is also observed that the present technique provides good accuracy for the expression of the opening displacement and the determination of the mid-side nodes for more wide range of material properties than that obtained by Abdicant the finite element method is applied to determine stress intensity factors for pressurized crack perpendicular to and terminating at the interface of two bonded dissimilar materials. A proper definition for stress intensity factors of a crack perpendicular to bimaterial interface is provided. It is based upon a near-tip displacement solutions on the crack surface for interface crack between two dissimilar materials. Numerical testing is carried out with the eight-node and six-node elements. The results obtained are compared with the previous solutions.
As an improvement on the isoparametric element method, the derivation presented in this paper is close to that done by Wang (1990) for the 2-D finite element. We extend this idea to solve 3-D crack problems in this paper. A new displacement modelling is constructed with local solutions of three-dimensional cracks and a quasi-compatible isoparametric element for three-dimensional fracture mechanics analysis is presented. The stress intensity factors can be solved directly by means of the present method without any post-processing. A new method for calculating the stress intensity factors of three-dimensional cracks with complex geometries and loads is obtained. Numerical examples are given to demonstrate the validity of the present method. The accuracy of the results obtained by the proposed element is demonstrated by solving several crack problems. The results illustrate that this method not only saves much calculating time but also increases the accuracy of solutions. Because this quasi-compatible finite element of 3-D cracks contains any singularities and easily meets the requirement of compatibility, it can be easily implemented and incorporated into existing finite element codes.
In this paper, the dynamic stress intensity factors of fracture mechanics are numerically computed in time domain using the FEM. For which the finite element formulations are derived applying the Galerkin method to the equations of motion in convolution integral as has been presented in the previous paper. To assure the strain fields of r$^{-1}$ 2/ singularity near the crack tip, the triangular quarter-point singular elements are imbedded in the finite element mesh discretized by the isoparametric quadratic quadrilateral elements. Two-dimensional problems of the elastodynamic fracture mechanics under the impact load are solved and compared with the existing numerical and analytical solutions, being shown that numerical results of good accuracy are obtained by the presented method.
응력확대계수는 균열진전경로의 수치해석적 연구에서 널리 사용되고 있다. 그러나 많은 경우에서 균열선단주위 응력의 급수전개식 중 이어지는 항은 정량적으로 중요하다. 따라서 본 연구에서는 이의 항을 계산하기 위하여 등매개 2차특이요소를 이용한 유한요소해석을 수행하였다. 일례로 단축하중을 받는 무한 직방성체 내 경사균열에 대하여 균열요소크기와 균열경사각을 달리 주어 가며 해석을 수행하였으며, 수치해석결과는 이론해와 비교하여 잘 일치하고 있다.
The stress intensity factors have been widely used in numerical studies of crack growth direction. However in many cases, omissive terms of the series expansion are quantitatively significant, so we consider the computation of such terms. For this purpose, we used the finite element method with isometric quadratic quarter-point elements. For examples, infinite square plate with a slant crack subjected to a uniaxial load is analyzed. The numerical analysis were performed for the wide range of crack tip element lengths and inclined angles. The numerical results obtained are compared with the theoretical solutions. Also they were accurate and efficient.
The purpose of this investigation is to propose a numerical simulation method of the crack propagation behavior in 3-dimensionl elastic body. The simulation method is based on the displacement-type finite element method, and the linear fracture theory is introduced. The results from the proposed method are compared with those from the structural experiments, and the good coincidences between them are shown in this paper. At the same time, 2-dimensional analysis is also done, and the results are compared with those obtained from 3-dimensional analysis and the structural experiments.
본 논문에서는 균열을 지닌 축대칭 문제를 해석하기 위하여 시간적분형 운동방정식을 바탕으로 한 유한요소 해법을 제시한다. 유한요소메쉬는 8절점 등매개변수 사변형 요소와 균열선단에서의 1/4절점 삼각형 특이요소로 구성되며, 동적 응력확대계수는 균열면상의 1/4절점의 y방향 변위로부터 구한다. 제시된 해법의 정확성과 타당성을 검증하기 위하여 내부에 원환균열을 지닌 무한 탄성체가 균열면상에서 충격하중을 받을 때의 동적 응력확대계수를 계산하고 타 수치결과와 비교 검토하였다. 응용 예제로서 원환균열과 원주균열을 지닌 중실축과 중공축의 동적 응력확대계수를 균열의 길이와 축의 길이에 따른 영향을 자세히 조사하였다. 균열길이가 커지면 동적 응력확대계수가 커지고, 축의 길이가 길어지면 동적 응력확대계수 곡선의 폭도 함께 증가됨을 확인하였다. 그리고 균열의 위치가 안쪽에 포함될 경우보다는 바깥쪽에 포함될 때 더 큰 동적 응력확대계수가 발생됨을 밝힌다.
응력파의 영향을 받는 균열의 동적응력확대계수를 구하기 위해 동적에너지방출율에 관한 명시적인 표현식을 유도하고, 이를 이용하여 유한요소법에 적합한 수치계산방법을 제시한다. 새로운 운동학적 기술방법과 균열의 가상증분을 이용하여 균열선단의 유한한 영역에서 정의되는 체적적분식을 연속체 역학적인 정식화를 통하여 구하고, 이의 수치적분 유한영역의 모델링에 사용된 등매개변수특이요소 내에서 특이성을 만족하는 적합조건하에서 수행된다. 본 방법은 경로적분식을 이용하는 기존 방법들에 비해 보다 정확하고 안정된 결과를 제공하고 동시에 응력파의 영향을 적시에 조사할 수 있으며, 본 방법에 의해 개발된 유한요소모듈은 기존의 동적응력 해석프로그램에 용이하게 연결 설치할 수 있음을 보인다.
To find out an adequate failure criterion in two-dimensional linear elastic crack problems, finite element programs, SED, which determine stress intensity factors $K_I, K_{II}$, crack angle and peak load by the minimum strain energy density failure criterion were developed. In this program, the conventional quadratic isoparametric elements were used in all regions except the crack tip zone where triangular singular elements with 6 nodes were used. The results of SED were compared with the results of those which followed by the maximum circumferential tensile stress criteria and those by the maximum energy release rate criteria and those by Jenq and Shah`s experiments of the same geometry and material properties. The maximum energy release rate criteria were better close to those of the Jenq and Shah`s experiments than the maximum circumferential tensile stress criteria and the minimum strain energy density criteria.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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