본보는 2003년도에 국제 학술지에 수록된 논문을 국내의 전문가들에게 소개하는 기술보고서이다. 본 연구에서 취성파괴를 보이는 암석에 대하여 시간의존성의 중요성을 설명하는 파괴역학적 모텔이 개발되었다. 균열면을 따라 형성된 신선한 구간인 암석 브리지의 파괴규명으로 불연속면의 점착강도가 감소하는 모델이 설정 되었다. 특히 임계조건 이전에 발생하는 균열성장을 사용하여 파괴역학적 모델을 개발하였는데, 이로부터 시간과 점착강도의 관계를 독립된 수식으로 표현하였다. 예로서 평면파괴가 예상되는 암석 블록에 대한 분석이 이루어 졌다. 절리면의 점착강도는 연속적으로 감소하는 것으로 밝혀줬는데, 초기에는 아주 점진적이며 그 후에는 급격하다. 그러다가 어느 시점에서는 감소된 점착강도는 사면의 불안정과 붕괴를 야기한다. 두 번째 예에서는 몇몇 물질 상수들이 분산을 가진다고 가정하였다. 여기에서는 확률론적으로 사면의 안정성이 분석되었는데 사면의 파괴확률을 시간의 함수로 예견할 수 있다. 시간이 경과함에 따라 사면의 파괴확률은 점점 증가하여 초기에 5% 수준에서 100년 후에는 40% 이상으로 증가한다. 이러한 예제들은 지하구조물이 비록 비교적 단기목적이라 하더라도 불연속면을 갖는 암반의 시간의존성 거동을 예측할 수 있음을 보여 주었다.
The fatigue crack propagation tests were performed in triangular and holding-time stress waveforms at $650^{\circ}C$. The behavior of fatigue crack propagation was investigated according to waveform. The analysis of high temperature fatigue crack propagation by the stress intensity factor range ${\Delta}K$, elastic fracture mechanics parameter, was not available. The behaviors of high temperature fatigue crack propagation by the J-integral(${\Delta}J_f$, J' and ${\Delta}J_c$), elasto-plastic fracture mechanics parameter, were investigated in a number of stress waveforms. The fast-fast waveform exhibited cycle-dependent(fatigue type), the slow-fast and the hold time with 500sec waveforms appear to be time-dependent(creep type) and the fast-slow and the hold time with 5, 25sec waveforms exhibited conbined behavior of both types(fatigue-creep conbined type).
암석파괴역학과 파괴인성(rock fracture toughness) 이하의 응력확대계수(stress intensity factor)에서 균열이 성장하는 현상을 이용하여 암석 절리면의 비선형 강도특성과, 시간의 경과에 따라 파괴가 진행되는 특성을 고려한 수치해석용 3차원 절리면 요소를 개발하였다. 이 절리면 요소를 사용하여 암석 절리면 전단시험을 수치해석으로 모사한 결과, 전단응력이 증가하고 시간이 경과함에 따라 절리면 사이에 연결된 절리면 내 접점(asperity in joint)에서 암석의 파괴인성보다 응력확대계수가 작음에도 불구하고 균열이 발생하였고 시간이 경과하면서 균열이 성장, 절리면 내 접점이 파괴되었다. 이와 같이 각각의 절리면 내 접점의 파괴에 따라 절리면의 강도는 감소하고, 절리면의 전단응력은 응력경화와 응력연화 후 잔류응력에 도달하는 비선형거동을 보이면서 시간의 경과에 따라 점진적으로 파괴되었다.
본 논문에서는 이상과 같은 연구현상을 배경으로 응력비 R.geq.0인 사인응력파 에서도 사이클의존형 크랙전파가 공존하는가, 공존한다면 그 전이를 결정짓는 조건을 구하기 위해, 대표적인 고온용 재료인 SUS 304강을 이용하여 온도 650.deg. C, 대기중에서 반복속도 .nu., 응력비 R, 응력레벨 .sigma.$_{maxo}$등의 실험조건을 바꾸어 고온저사이클 피로실험을 하였다. 또 이 현상의 기초과정을 이해하는데 도움을 주기 위하여 파면 관찰을 행하였다.
In this paper, fracture analysis of a continuously inhomogeneous arch structure with two longitudinal cracks is developed in terms of the time-dependent strain energy release rate. The arch under consideration exhibits non-linear creep behavior. The cross-section of the arch is a rectangle. The material is continuously inhomogeneous along the thickness of the cross-section. The arch is loaded by two bending moments applied at its end sections. The mechanical behavior of the material is described by using a non-linear stress-strain-time relationship. The two longitudinal cracks are located symmetrically with respect to the mid-span of the arch. Due to the symmetry, only half of the arch is considered. Time-dependent solutions to strain energy release rate are obtained by analyzing the balance of the energy. For verification, time-dependent solutions to the strain energy release rate are derived also by considering the time-dependent complementary strain energy. The evolution of the strain energy release rate with the time is analyzed. The effects of material inhomogeneity, locations of the two cracks along the thickness of the arch and the magnitude of the external loading on the time-dependent strain energy release rate are evaluated.
The high temperature fatigue crack growth behavior of SUS 304 stainless steel at $550^{\circ}C$ and $650^{\circ}C$ was investigated under various kinds of stress ratio and frequency in sinusoidal waveform on the basis of the non-linear fracture mechanics. The result arranging crack growth rate by modified J-integral J' showed influence of stress ratio and frequency. All the data obtained under the test at $550^{\circ}C$ were plotted within data band of da/dN-${\triangle}J_f$ relationship for cycle-dependent crack growth. On the basis of static creep and cycle-dependent data band; both time- and cycle-dependent crack growth behavior was observed under loading conditions at $650^{\circ}C$, but cycle-dependent crack growth behavior predominantly appeared and time-dependent crack growth behaviour was little observed under loading conditions at $550^{\circ}C$. Fractographic examinations for fracture surface indicated that the fracture mode was generally transgranular. The stripes were found on fracture surface and each stripe was accompanied by a crack tip blunting and an abrupt increase in the load-point displacement. The $J'_{an}$ had a validity in case of $650^{\circ}C, but scarcely had it in case of $550^{\circ}C$.
암석파괴역학과 파괴인성 이하의 응력상태에서 균열이 발생하고 성장하는 특성을 고려하여 암반사면의 진행성 파괴를 검토하였다. 굴착이 종료된 암반사면은 응력이 거의 변하지 않은 조건이지만, 시간이 경과함에 따라 절리면 내 미소한 접점에서 파괴가 발생하고 파괴된 접점의 수효가 증가함에 따라 절리면이 파괴되고, 파괴된 절리면이 많아져 사면이 파괴되는 진행성파괴 현상을 수치해석적으로 확인하였다. 따라서 암반사면의 진행성 파괴는 파괴인성보다 낮은 응력상태에 있는 암반 절리면 내 미소한 접점에서 시간의 경과에 따라 발생한 균열이 성장하여 사면을 파괴시키는 것으로 분석되었다.
Dynamic fracture characteristics of Polycarbonate WL-RDCB specimen were investigated. The dynamic crack propagation velocities in these specimens were measured by using both high speed camera system and silver paint grid method developed and justified in the INHA Fracture Mechanics Laboratory. The measured crack propagation velocities were fed into the INSAMCR code(a dynamic finite element code which has been developed in the INBA Fracture Mechanics Laboratory) to extract the dynamic stress intensity factors. It has been confirmed that both dynamic crack arrest toughness and the static crack arrest toughness depend on both the geometry and the dynamic crack propagation velocity of specimens. The maximum dynamic crack propagation velocity of Polycarbonate WL-RDCB specimen was found to be dependent on the material property, geometry and the type of loading. The dynamic cracks in these Polycarbonate WL-RDCB specimens seemed to propagate in a successive manner, involving distinguished 'propagation-arrest-propagation-arrest' steps on the microsecond time scale. It was also found that the relat-ionship between dynamic stress intensity factor and dynamic crack propagation velocities might be represented by the typical '$\Gamma$'shape.
Fracture near the U-10Mo/cladding material interface impacts fuel service life. In this work, a mesoscale stress model is developed with the fuel foil considered as a porous medium having gas bubbles and bearing bubble pressure and surface tension. The models for the evolution of bubble volume fraction, size and internal pressure are also obtained. For a U-10Mo/Al monolithic fuel plate under location-dependent irradiation, the finite element simulation of the thermo-mechanical coupling behavior is implemented to obtain the bubble distribution and evolution behavior together with their effects on the mesoscale stresses. The numerical simulation results indicate that higher macroscale tensile stresses appear close to the locations with the maximum increments of fuel foil thickness, which is intensively related to irradiation creep deformations. The maximum mesoscale tensile stress is more than 2 times of the macroscale one on the irradiation time of 98 days, which results from the contributions of considerable volume fraction and internal pressure of bubbles. This study lays a foundation for the fracture mechanism analysis and development of a fracture criterion for U-10Mo monolithic fuels.
In this paper, the dynamic response of a piezoelectric layer with a penny-shaped crack is investigated. The piezoelectric layer is subjected to an axisymmetrical action of both mechanical and electrical impacts. Two kinds of crack surface conditions, i.e., electrically impermeable and electrically permeable, are adopted. Based upon integral transform technique, the crack boundary value problem is reduced to a system of Fredholm integral equations in the Laplace transform domain. By making use of numerical Laplace inversion the time-dependent dynamic stress and electric displacement intensity factors are obtained, and the dynamic energy release rate is further derived. Numerical results are plotted to show the effects of both the piezoelectric layer thickness and the electrical impact loadings on the dynamic fracture behaviors of the crack tips.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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