This paper presents two sets of full three-dimensional thermoelastic finite element analyses of superimposed thermo-mechanically loaded Spar Wingskin Joints made with laminated Graphite Fiber Reinforced Plastic composites. The study emphasizes the influence of residual thermal stresses and material anisotropy on the inter-laminar delamination behavior of the joint structure. The delamination has been pre-embedded at the most likely location, i.e., in resin layer between the top and next ply of the fiber reinforced plastic laminated wingskin and near the spar overlap end. Multi-Point Constraint finite elements have been made use of at the vicinity of the delamination fronts. This helps in simulating the growth of the embedded delamination at both ends. The inter-laminar thermoelastic peel and shear stresses responsible for causing delamination damage due to a combined thermal and a static loading have been evaluated. Strain energy release rate components corresponding to the Mode I (opening), Mode II (sliding) and Mode III (tearing) of delamination are determined using the principle of Virtual Crack Closure Technique. These are seen to be different and non-self-similar at the two fronts of the embedded delamination. Residual stresses developed due to the thermoelastic anisotropy of the laminae are found to strongly influence the delamination onset and propagation characteristics, which have been reflected by the asymmetries in the nature of energy release rate plots and their significant variation along the delamination front.
Delayed hydride cracking (DHC) is an important failure mechanism for Zircaloy tubes in the demanding environment of nuclear reactors. The threshold stress intensity factor, $K_{IH}$, and critical hydride length, $l_C$, are important parameters to evaluate DHC. Theoretical models of them are developed for Zircaloy tubes undergoing non-homogenous temperature loading, with new stress distributions ahead of the crack tip and thermal stresses involved. A new stress distribution in the plastic zone ahead of the crack tip is proposed according to the fracture mechanics theory of second-order estimate of plastic zone size. The developed models with fewer fitting parameters are validated with the experimental results for $K_{IH}$ and $l_C$. The research results for radial cracking cases indicate that a better agreement for $K_{IH}$ can be achieved; the negative axial thermal stresses can lessen $K_{IH}$ and enlarge the critical hydride length, so its effect should be considered in the safety evaluation and constraint design for fuel rods; the critical hydride length $l_C$ changes slightly in a certain range of stress intensity factors, which interprets the phenomenon that the DHC velocity varies slowly in the steady crack growth stage. Besides, the sensitivity analysis of model parameters demonstrates that an increase in yield strength of zircaloy will result in a decrease in the critical hydride length $l_C$, and $K_{IH}$ will firstly decrease and then have a trend to increase with the yield strength of Zircaloy; higher fracture strength of hydrided zircaloy will lead to very high values of threshold stress intensity factor and critical hydride length at higher temperatures, which might be the main mechanism of crack arrest for some Zircaloy materials.
As one of the most common failure types of arch bridges, stability is one of the critical aspects for the design of arch bridges. Using 3D finite element model in ABAQUS, this paper has studied the stability performance of an arch bridge with inclined arch ribs and hangers, and the analysis also took the effects of geometrical and material nonlinearity into account. The impact of local buckling and residual stress of steel plates on global stability and the applicability of fiber model in stability analysis for steel arch bridges were also investigated. The results demonstrate an excellent stability of the arch bridge because of the transverse constraint provided by transversely-inclined hangers. The distortion of cross section, local buckling and residual stress of ribs has an insignificant effect on the stability of the structure, and the accurate ultimate strength may be obtained from a fiber model analysis. This study also shows that the yielding of the arch ribs has a significant impact on the ultimate capacity of the structure, and the bearing capacity may also be approximately estimated by the initial yield strength of the arch rib.
The influence of welding heat input variation(600-900J/cm) and heat-treatment condition after welding on tensile strength of butt welded joint in $175Kg/mm^2$ strength level Maraging steel(Co-free and Co-containing) sheets was investigated on the basis of hardness distribution, microstructure of weld metal and fracture surface. The obtained main results are as follows; 1. The strength of weldment (UTS, NTS), joint efficiency showed a little decreasing tendency with the increase in welding heat input, and the elongation showed a little increasing tendency with the increase in the width of weld metal. It was considered because of the plastic constraint of the high strength base metal. 2. The strength of weldment was better in the solution treatment and aging than the aging only after welding due to the disappearance of almost denverite in weld metal. 3. The hardness distribution in weldment after welding and heat-treatment was almost similar to both Co containing and Co free Maraging steel with change in welding heat input. 4. The fracture was occurred at weld metal, and the fracture surface showed a relatively shallow dimples in both Co containing and Co free Maraging steel.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2002.05a
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pp.117-124
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2002
The lightness of components required in automobile and machinery industry is requiring high strength of components. In particular, manufacturing process and new materials development for solving the fatigue fracture problem attendant upon high strength of suspension of automobile are actively advanced. In this paper, the effect of compressive residual stress of spring steel(JISG SUP-9) by shot-peening on fatigue crack growth characteristics in high temperatures($100^{\circ}C,\;150^{\circ}C,\;180^{\circ}C$) was investigated with considering fracture mechanics. So, we can obtain followings. (1) Compressive residual stress is decreased in high temperature, that is, with increasing temperature. (2) The effect of compressive residual stress on fatigue crack growth behavior in high temperature is increased below ${\Delta}K=17{\sim}19MPa\sqrt{m}$. The fatigue crack growth rate is increased with increasing temperature. The fatigue life is decreased with increasing temperature. (3) The dependence of temperature and compressive residual stress on the parameters C and m in Paris' law formed the formulas such as equations (3),(4),(5),(6),(7),(8),(9),(10). (4) It was investigated by SEM that the constraint of compress residual stress for plastic zone of fatigue crack tip was decreased in high temperature as compared with room temperature.
As a shot sleeve in die casting plays a critical role in delivering molten metal to a die cavity, any disruption to its function in the injection stage results in deterioration of the quality of final castings. To guarantee a smooth operation of a shot sleeve, its structural stability should be maintained. Despite the simple geometry, design of shot sleeve is based on individual engineer's experience and no agreement on the design is present. In this study, we newly propose a systematic methodology to determine a minimum wall thickness of a shot sleeve to prevent yielding or plastic deformation. Analytical calculations incorporating numerical analysis produce a rational design rule for minimum thickness of a shot sleeve subject to metal intensification pressure and geometric die constraint. To validate the proposed design guideline, authors present real data on a collection of actual shot sleeves. Upon checking their conformity to the new design rule, we discovered a strong correlation between the design of wall thickness and premature failures.
The lightness of components that was required in automobile and machinery industry requires high strength of components. In particular, manufacturing process and new materials development for solving the fatigue facture problem attendant upon high strength of suspension of automobile are actively advanced. In this paper, the effect of compressive residual stress of spring steel(JISG SUP-9)by shot-peening on fatigue crack growth characteristics in high temperature($100^{\circ}C,\;150^{\circ}C,\;180^{\circ}C$)was investigated with considering fracture mechanics. So, we can obtaint the followings. (1) Compressive residual stress is decreased with increasing the test temperature. (2) The effect of compressive residual stress on fatigue crack growth behavior in high temperature is increased below ${\Delta}K=17{\sim}19MPa{\sqrt{m}}$. (3) It was investigated by SEM that the constraint of compress residual stress for plastic zone of fatigue crack tip was decreased in high temperature as compared with room temperature.
Dimensional defects of castings are mainly due to the stresses and strains caused by a nonuniform temperature distribution and phase transformation during solidification and cooling, and by mechanical constraint between the mold and casting. It is, however, nearly impossible to trace movements of the casting and mold during solidification and cooling by experimental measurements for castings with complex shape. Two and three dimensional deformation analyses of the casting and the mold were performed using commercial finite element code, MARC. It was possible to calculate deformation and temperature distribution in the casting and mold simultaneously. Cooling curves of the casting obtained by calculation were close to that measured in the field since it was possible to treat latent heat evolution of the casting which could be divided into two parts, primary and eutectic parts. Mold bent inward just after pouring due to the temperature gradient across the mold thickness, and mold returned to its previous position with time. Plastic deformation occurred at the part of the casting where solidification was slow.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.32
no.9
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pp.815-824
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2015
In this study, we conducted the approximate multi-objective optimization of gap sizes of pressurized-water reactor (PWR) annular fuels. To determine the contacting tendency of the inner-outer gaps between the annular fuel pellets and cladding, thermoelastic-plastic-creep (TEPC)analysis of PWR annular fuels was performed, using in-house FE code. For the efficient heat transfer at certain levels of stress, we investigated the tensile, compressive hoop stress and temperature, and optimized the gap sizes using the non-dominant sorting genetic algorithm (NSGA-II). For this, response surface models of objective and constraint functions were generated, using central composite (CCD) and D-optimal design. The accuracy of approximate models was evaluated through $R^2$ value. The obtained optimal solutions by NSGA-II were verified through the TEPC analysis, and we compared the obtained optimum solutions and generated errors from the CCD and D-optimal design. We observed that optimum solutions differ, according to design of experiments (DOE) method.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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2006.04a
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pp.828-835
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2006
Spacer grid springs support the fuel rods in a nuclear fuel system. The spacer grid is a part of a fuel assembly. Since a spring has repeated contacts with the fuel rod, fretting wear occurs on the surface of the spring. Design is usually performed to reduce the wear. The conceptual design process for the spring is defined by using the Independence of axiomatic design and the design is carried out based on the direction that the design matrix indicates. For detailed design an optimization problem is formulated. In optimization, homologous design is employed to reduce fretting wear. The deformation of a structure is called homologous if a given geometrical relationship holds for a given number of structural points before, during, and after the deformation. In this case, the deformed shape of the spring should be the same as that of the fuel rod. 1bis condition is transformed to a function and considered as a constraint in the optimization process. The objective function is minimizing the maximum stress to allow a local plastic deformation. Optimization results show that the contact occurs in a wide range. Also, the results are verified by nonlinear finite element analysis.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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