Ratcheting is a cyclic accumulation of strain under a cyclic loading. It is a kind of mechanisms which generate cracks in rail steels. Though some experimental and numerical study has been performed, modeling of ratcheting is still a challenging problem. In this study, an elastic-plastic constitutive equation with non-linear kinematic hardening equation was applied. Contact stresses in wheel-rail were analyzed. Under the tangential stress of the contact stresses, a cyclic stress-strain relation was obtained by using the model. A constant ratcheting strain per cycle was accumulated.
Kim, Yu-Il;Gang, Jung-Gyu;Sim, Cheon-Sik;Lee, Seong-Geun
Proceedings of the KWS Conference
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2005.06a
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pp.112-114
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2005
Direct nonlinear finite element analysis was carried out using nonlinear kinematic hardening model which was calibrated based on the experimentally determined material properties to obtain notch stress-strain state under cyclic load. By comparing numerical results and experimental data, conclusion was made on how well analysis results match physical phenomenon. Also, suggestion was made on what material curve should be used in conjunction with traditional Neuber/Glinka's rule to take into account the effect of material heterogeneity in its application to welded joint.
The ratcheting and strain cyclic behaviour of joined conical-cylindrical shells under uniaxial strain controlled, uniaxial and multiaxial stress controlled cyclic loading are investigated in the paper. The elasto-plastic deformation of the structure is simulated using Chaboche non-linear kinematic hardening model in finite element package ANSYS 13.0. The stress-strain response near the joint of conical and cylindrical shell portions is discussed in detail. The effects of strain amplitude, mean stress, stress amplitude and temperature on ratcheting are investigated. Under strain symmetric cycling, the stress amplitude increases with the increase in imposed strain amplitude. Under imposed uniaxial/multiaxial stress cycling, ratcheting strain increases with the increasing mean/amplitude values of stress and temperature. The abrupt change in geometry at the joint results in local plastic deformation inducing large strain variations in the vicinity of the joint. The forcing frequency corresponding to peak axial ratcheting strain amplitude is significantly smaller than the frequency of first linear elastic axial vibration mode. The strains predicted from quasi static analysis are significantly smaller as compared to the peak strains from dynamic analysis.
Huang, Zhiyong;Wang, Qingyuan;Wagner, Daniele;Bathias, Claude
Steel and Composite Structures
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v.17
no.2
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pp.185-198
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2014
Carbon-manganese steel A42 (French standards) is used in steam generator pipes of nuclear center and subject to low cycle fatigue (LCF) loads. In order to obtain the material LCF behavior, the tests are implemented in a hydraulic fatigue machine. The LCF plastic deformation and cyclic stress in macroscope have been influenced by the accumulated low cycle fatigue damage. The constitutive kinematic and isotropic hardening modeling is modified with coupling fatigue damage to describe the fatigue behavior. The improved model seems to be good agreement with the test results.
In this work, we present the development of a 3D lattice-type model at microscale based upon the Voronoi-cell representation of material microstructure. This model can capture the coupling between mechanic and electric fields with non-linear constitutive behavior for both. More precisely, for electric part we consider the ferroelectric constitutive behavior with the possibility of domain switching polarization, which can be handled in the same fashion as deformation theory of plasticity. For mechanics part, we introduce the constitutive model of plasticity with the Armstrong-Frederick kinematic hardening. This model is used to simulate a complete coupling of the chosen electric and mechanics behavior with a multiscale approach implemented within the same computational architecture.
Saravanan, M.;Arul Jayachandran, S.;Marimuthu, V.;Prabha, P.
Steel and Composite Structures
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v.9
no.4
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pp.381-395
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2009
This paper presents the details of an advanced Finite Element (FE) analysis of a plane steel portal frame with semi-rigid beam-to-column connections subjected cyclic loading. In spite of several component models on cyclic behaviour of connections presented in the literature, works on numerical investigations on cyclic behaviour of full scale frames are rather scarce. This paper presents the evolution of an FE model which deals comprehensively with the issues related to cyclic behaviour of full scale steel frames using ABAQUS software. In the material modeling, combined kinematic/isotropic hardening model and isotropic hardening model along with Von Mises criteria are used. Connection non-linearity is also considered in the analysis. The bolt slip which happens in friction grip connection is modeled. The bolt load variation during loading, which is a pivotal issue in reality, has been taken care in the present model. This aspect, according to the knowledge of the authors, has been first time reported in the literature. The numerically predicted results using the methodology evolved in the present study, for the cyclic behaviour of a cantilever beam and a rigid frame, are validated with experimental results available in the literature. The moment-rotation and deflection responses of the evolved model, match well with experimental results. This proves that the methodology for evolving the steel frame and connection model presented in this paper is closer to real frame behaviour as evident from the good comparison and hence paves the way for further parametric studies on cyclic behaviour of flexibly connected frames.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.26
no.3A
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pp.447-455
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2006
A general purpose of 4-node co-rotational resultant shell element is developed for the solution of nonlinear problems of reinforced concrete, steel and fiber-reinforced composite structures. The formulation of the geometrical stiffness presented here is defined on the mid-surface by using the second order kinematic relations and is efficient for analyzing thick plates and shells by incorporating bending moment and transverse shear resultant forces. The present element is free of shear locking behavior by using the ANS (Assumed Natural Strain) method such that the element performs very well as thin shells. Inelastic behaviour of concrete material is based on the plasticity with strain hardening and elasto-plastic fracture model. The plasticity of steel is based on Von-Mises Yield and Ivanov Yield criteria with strain hardening. The transverse shear stiffness of laminate composite is defined by an equilibrium approach instead of using the shear correction factor. The proposed formulation is computationally efficient and versitile for most civil engineering application and the test results showed good agreement.
Geotechnical structures have been analyzed and constructed in various geometry conditions to maintain their stability in accordance with the characteristics of construction design. Shear strengths are generally obtained from triaxial test to apply to design analysis. Geotechnical structures under strip loading, such as earth dam, embankment, and retaining wall, have the strain in a direction, and plane strain condition. Thus, an approximate shear strengths should be applied for stability analysis suitable to ground condition. When applying shear strengths obtained from triaxial tests for slope stability analysis, the evaluation of it may underestimate the factor of safety because the implementation is not suitable for geometry condition. The paper compares shear strengths obtained from triaxial test and plane strain test based on various relative densities using weathered granite soils. Additionally, yield stress is determined by maximum axial strain 15% in triaxial test because of continuous kinematic hardening, but plane strain test can determine a failure point in critical state to evaluate the shear strengths of soils at the second plastic hardening step. This study proposes to perform an appropriate test for many geotechnical problems with plane strain condition.
Rolling contact fatigue of an urban railway wheel was analysed during its rolling. A FEM analysis was performed using a 3D modelling of rail and wheel, considering the slope of the rail and nonlinear isotropic and kinematic hardening behavior of the rail and the wheel. The maximum von-Mises stress and contact pressure between the rail and wheel were 656.9 MPa and 1111.4 MPa, respectively, under axial load of 85 kN with friction coefficient of 0. The fatigue initiation life prediction relationships by strain-lifetime (${\varepsilon}$-N) and Smith-Watson-Topper method were drawn for the wheel steel as follows: $N_i=7.35{\times}10^6{\times}SWT^{-3.56}$ and $N_i=5.41{\times}10^{-9}{\times}(\frac{{\Delta}{\varepsilon}}{2})^{-5.77}$. The fatigue lifetimes of the wheel due to rolling contact were determined to be infinite by ${\varepsilon}$-N and SWT methods.
Existing reinforced concrete (RC) beams can be strengthened with externally bolted steel plates to the sides of beams. The effectiveness of this type of bolted side-plate (BSP) beam can however be affected by partial interaction between the steel plates and RC beams due to the mechanical slip of bolts. To avoid over-estimation of the flexural strength and ensure accurate prediction of the load-deformation response of the beams, the effect of partial interaction has to be properly considered. In this paper, a special non-linear macro-finite-element model that takes into account the effects of partial interaction is proposed. The RC beam and the steel plates are modelled as two different elements, interacting through discrete groups of bolts. A layered method is adopted for the formulation of the RC beam and steel plate elements, while a special non-linear model based on a kinematic hardening assumption for the bolts is used to simulate the bolt group effect. The computer program SiBAN was developed based on the proposed approach. Comparison with the available experimental results shows that SiBAN can accurately predict the partial interaction behaviour of the BSP beams. Further numerical simulations show that the interaction between the RC beam and the steel plates is greatly reduced by the formation of plastic hinges and should be considered in analyses of the strengthened beams.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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