This paper presents theoretical solutions for the three-dimensional (3D) stress field in an infinite isotropic elastic plate containing a through-the-thickness circular hole subjected to far-field in-plane loads by using Kane and Mindlin's assumption. The dangerous position, where the premature fracture or failure of the plate will take place, the expressions of the tangential stress at the surface of the hole and the out-of-plane stress constraint factor are found in a concise, explicit form. Based on the present theoretical solutions, a comprehensive analysis is performed on the deviated degree of the in-plane stresses from the related plane stress solutions, stress concentration and out-of-plane constraint, and the emphasis has been placed on the effects of the plate thickness, Poisson's ratio and the far-field in-plane loads on the stress field. The analytical solution shows that the effects of the plate thickness and Poisson's ratio on the deviation of the 3D in-plane stress components is obvious and could not be ignored, although their effects on distributions of the in-plane stress components are slight, and that the effect of the far-field in-plane loads is just on the contrary of that of the above two. When only the shear stress is loaded at far field, the stress concentration factor reach its peak value about 8.9% higher than that of the plane stress solutions, and the out-of-plane stress constraint factor can reach 1 at the surface of the hole and is the biggest among all cases considered.
International Journal of Precision Engineering and Manufacturing
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v.8
no.3
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pp.60-63
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2007
Weight functions in fracture mechanics represent the stress intensity factors as weighted averages of the externally impressed boundary tractions and body forces. We extended the weight function theory for cracked linear elastic materials to calculate the notch stress intensity factor of a notched structure with anti-plane deformation. The well-known method of deriving weight functions by differentiation cannot be used for notched structures. By combining an appropriate singular field with a regular field, we derived weight functions for the notch stress intensity factor. Closed expressions of weight functions for notched cylindrical bodies are given as examples.
FeCoB films were being prepared on a Ru underlayer by using the oblique incidence of sputtered and back-scattered particles which have a high in-plane magnetic anisotropy field $H_k$ above 400 Oe. It is suitable to attain such deposition condition when facing targets sputtering system. The in-plane X-ray diffraction analysis clarified that there is anisotropic residual stress which is the origin of the high in-plane magnetic anisotropy. The directional crystalline alignment and inclination of crystallite growth were also observed. Such anisotropic crystalline structures may affect the anisotropic residual stress in the films. The B content of 5.6 at.% was appropriate to induce such anisotropic residual stress and $H_k$ of 410 Oe in this experiment. The film with B content of 6 at.% possessed large saturation magnetization of 22 kG and high $H_k$ of 500 Oe. The film exhibited high ferromagnetic resonance frequency of 9.2 GHz.
The finite element analysis was performed for the cracks existing in residual stress fields in order to investigate the effects of configuration of residual stress distribution to the fatigue crack opening behaviour. And the variation of stress distributions adjacent to the crack caused by uploading was examined. The finite element model with contact elements for the crack plane and plane stress elements for the base material and the analytical method based on the superposition principle to estimate crack opening behaviour and the stress distribution adjacent to the crack subjected to uploading were used. The results of the analysis showed that crack opening behaviors and variations of stress distribution caused by uploading were changed depending on the configuration of residual stress distribution. When the crack existed in the region of compressive residual stress and the configuration of compressive residual stress distribution were inclined, a partial crack opening just behind of a crack tip occurred during uploading. Based on the above results, it was clarified that the crack opening behaviour in the residual stress field could be predicted accurately by the finite element analysis using these analytical method and model.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2007.05a
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pp.943-946
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2007
In-plane piezoelectric charge constant of Electro-Active paper (EAPap) was investigated based on direct and converse piezoelectric effects. EAPap samples were made with cellulose film with very thin gold electrode coated on both sides of the film. To characterize direct piezoelectricity of EAPap, induced charge was measured when mechanical stress was applied to EAPap. In-plane piezoelectric charge constant was extracted from the relation between induced charge and applied in-plane normal stress. To investigate converse piezoelectricity, induced in-plane strain was measured when electric field was applied to EAPap. Piezoelectric charge constant was also extracted from the relation of induced in-plane strain and applied electric field. Piezoelectric charge constants obtained from direct and converse piezoelectricity are 31 pC/N and 178 x 10-12m/V for 45 degree sample, respectively. Measured piezoelectric charge constants of EAPap provide promising potential as a piezoelectric material.
An experimental method to measure Q-parameter in-situ is described. The basic idea comes from the fact that the side necking near a crack tip indicates the loss of stress triaxiality, which can be scaled by Q. From the out-of-plane displacement and the in-plane strain near the surface of side necking, stress field averaged through the thickness is calculated and then Q is determined from the difference between the stress field and the HRR field corresponding to the identical J-integral. To prove the validity, three-dimensional finite element analysis has been performed for a CT configuration with side-groove. Q-value which was calculated directly from the near-tip stress field is compared with that determined by simulating the experimental procedure according to the proposed method, that is, the Q-value determined from the lateral displacement and the inplane strain. Also, the effect of location where the displacement and strain are measured is explored.
This paper is concerned with an analysis of a surface edge crack emanated from a sharp contact edge. For a geometrical model, a square wedge is in contact with a half plane whose materials are identical, and a surface perpendicular crack initiated from the contact edge exists in the half plane. To analyze this crack problem, it is necessary to evaluate the stress field on the crack line which are induced by the contact tractions and pseudo-dislocations that simulate the crack, using the Bueckner principle. In this Part I, the stress filed in the half plane due to the contact is re-summarized using an asymptotic analysis method, which has been published before by the author. Further focus is given to the stress field in the half plane due to a pseudo-edge dislocation, which will provide a stress solution due to a crack (i.e. a continuous distribution of edge dislocations) later, using the Burgers vector. Essential result of the present work is the corrective functions which modify the stress field of an infinite domain to apply for the present one which has free surfaces, and thus the infiniteness is no longer preserved. Numerical methods and coordinate normalization are used, which was developed for an edge crack problem, using the Gauss-Jacobi integration formula. The convergence of the corrective functions are investigated here. Features of the corrective functions and their application to a crack problem will be given in Part II.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.9
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pp.1607-1613
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2003
An experimental method to measure Q-parameter in-situ is described. The basic idea comes from the fact that the side necking near a crack tip indicates the loss of stress triaxiality, which can be scaled by Q. From the out-of-plane displacement and the in-plane strain near the surface of side necking, stress field averaged through the thickness is calculated and then Q is determined from the difference between the stress field and the HRR field corresponding to the identical J-integral. To prove the validity, three-dimensional finite element analysis has been performed for a CT configuration with side-groove. Q-value which was calculated directly from the near-tip stress field is compared with that determined by simulating the experimental procedure according to the proposed method, that is, the Q-value determined from the lateral displacement and the in-plane strain. In addition, the effect of location where the displacement and strain are measured is explored.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.41
no.1
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pp.7-11
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2017
In this study, we develop the exact field of mode I in an infinitely deep crack in a half-plane. Using this field, we obtain the exact stress intensity factor $K_{I}$. From the tractions on the crack faces induced by exact field, we calculate the stress intensity factor of this field. We compare the results with the stress intensity factor calculated using Bueckner's weight function formula and that calculated by using Tada's formula listed in "The Stress Analysis of Cracks Handbook" It was found that Bueckner's formula yields accurate results. However, the results obtained using Tada's formula exhibit inaccurate behavior.
For the purpose of clarifying the influence of welding residual stress to the fatigue crack propagations behaviour, an analytical investigation based on finite element method is performed to examine the opening behaviour of tip-closed crack in the compressive residual stress. A finite element model comprised of contact elements for the crack plane and plane stress elements for the base material is used to evaluate crack opening stress of the crack existing in the residual stress field. Also an analytical method based on the superposition principle to estimate the length of opened part of tip closed crack and the stress distribution adjacent to the crack during uploading is applied to the finite element model. The software for the analysis is ABAQUS, which is a general purpose finite element package. The results show that stresses distributed on the crack surfaces are reduced and approached to zero as the applied stresses are increased up to crack tip opening stress and no mechanical discontinuity is found at the boundary of contact elements and plane stress elements. It is verified that the opening behavior of the fatigue crack in the residual stress can be predicted by finite element method with the proposed analytical method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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