Sutrakar, Vijay Kumar;Subramanya, N.;Mahapatra, D. Roy
Advances in nano research
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v.3
no.3
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pp.143-168
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2015
Initiation of crack and its growth simulation requires accurate model of traction - separation law. Accurate modeling of traction-separation law remains always a great challenge. Atomistic simulations based prediction has great potential in arriving at accurate traction-separation law. The present paper is aimed at establishing a method to address the above problem. A method for traction-separation law prediction via utilizing atomistic simulations data has been proposed. In this direction, firstly, a simpler approach of common neighbor analysis (CNA) for the prediction of crack growth has been proposed and results have been compared with previously used approach of threshold potential energy. Next, a scheme for prediction of crack speed has been demonstrated based on the stable crack growth criteria. Also, an algorithm has been proposed that utilizes a variable relaxation time period for the computation of crack growth, accurate stress behavior, and traction-separation atomistic law. An understanding has been established for the generation of smoother traction-separation law (including the effect of free surface) from a huge amount of raw atomistic data. A new curve fit has also been proposed for predicting traction-separation data generated from the molecular dynamics simulations. The proposed traction-separation law has also been compared with the polynomial and exponential model used earlier for the prediction of traction-separation law for the bulk materials.
A theoretical exploration for determining the characteristic length of the cohesive zone for a double cantilever beam (DCB) specimen under mode I loading was conducted. Two traction-separation laws were studied: (i) a law with only a linear elastic stage from zero to full traction strength; and (ii) a bilinear traction law illustrating a progressive softening stage. Two analytical solutions were derived for the first law, which fit well into two existing solution groups. A transcendental equation was derived for the bilinear traction law, and a graphical method was presented to identify the resultant cohesive zone length. The study using the bilinear traction law enabled the theoretical investigation of the individual effects of cohesive law parameters (i.e., strength, stiffness, and fracture energy) on the cohesive zone length. Correlations between the theoretical and finite element (FE) results were assessed. Effects of traction law parameters on the cohesive zone length were discussed.
This paper presents a form of the cohesive surface separation potential, which can produce potential curves by varying a single dimensionless parameter. Results show that a partial modification of Xu and Needleman's (1994) cohesive surface separation potential makes it possible to present the other potential corves as a special case as long as the normal separation is concerned. The proposed potential may describe interfacial debonding-crack initiation and growth-character of materials and, through numerical simulation, provide an insight for the effect of different cohesive surface separation potentials on the interfacial debonding.
This paper presents ductile fracture simulation of full-scale cracked pipe for nuclear piping materials using the cohesive zone model (CZM). The main objective of this study is to investigate the applicability of CZM to predict ductile fracture of cracked pipes with various crack shapes and under quasi-static/dynamic loadings. The transferability of the traction-separation (T-S) curve from a small-scale specimen to a full-scale pipe is demonstrated by simulating small- and full-scale tests. T-S curves are calibrated by comparing experimental data of compact tension specimens with finite element analysis results. The calibrated T-S curves are utilized to predict the fracture behavior of cracked pipes. Three types of full-scale pipe tests are considered: pipe with circumferential through-wall crack under quasistatic/dynamic loadings, and with 360° internal surface crack under quasi-static loading. Computational results using the calibrated T-S curves show a good agreement with experimental data, demonstrating the transferability of the T-S curves from small-scale specimen.
The paper is devoted to present the Continuum Strong Discontinuity Approach (CSDA) and to examine its capabilities for modeling cracking of concrete. After introducing the main ingredients of the CSDA, an isotropic continuum damage model, which distinguishes tension and compression states, is used to implicitly induce a projected traction separation-law that rules the cracking phenomena. Criteria for onset and propagation of material failure and specific finite elements with embedded discontinuities are also briefly sketched. Finally, some representative numerical simulations of cracking, in plain and reinforced concrete specimens, using the CSDA are presented.
Estimation of fracture initiation pressure is one of the most difficult technical challenges in hydraulic fracturing treatment of vertical or horizontal oil wells. In this study, the influence of in-situ stresses and pore pressure values on fracture initiation pressure and its profile in vertical and horizontal oil wells in a normal stress regime have been investigated. Cohesive elements with traction-separation law (XFEM-based cohesive law) are used for simulating the fracturing process in a fluid-solid coupling finite element model. The maximum nominal stress criterion is selected for initiation of damage in the cohesive elements. The stress intensity factors are verified for both XFEM-based cohesive law and analytical solution to show the validation of the cohesive law in fracture modeling where the compared results are in a very good agreement with less than 1% error. The results showed that, generally by increasing the difference between the maximum and minimum horizontal stress, the fracture pressure and its profile has been strongly changed in the vertical wells. Also, it's been clearly observed that in a horizontal well drilled in the direction of minimum horizontal stress, the values of fracture pressure have been significantly affected by the difference between overburden pressure and maximum horizontal stress. Additionally, increasing pore pressure from under-pressure regime to over-pressure state has made a considerable fall on fracture pressure in both vertical and horizontal oil wells.
Zhu, Hai Y.;Deng, Jin G.;Zhao, Jun;Zhao, Hu;Liu, Hai L.;Wang, Teng
Computers and Concrete
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v.14
no.1
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pp.91-107
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2014
Using the principle of damage mechanics, zero-thickness pore pressure cohesive elements (PPCE) are used to simulate the casing-cement interface (CCI) and cement-rock interface (CRI). The traction-separation law describes the emergence and propagation of the PPCE. Mohr-coulomb criteria determines the elastic and plastic condition of cement sheath and rock. The finite element model (FEM) of delamination fractures emergence and propagation along the casing-cement-rock (CCR) interfaces during hydraulic fracturing is established, and the emergence and propagation of fractures along the wellbore axial and circumferential direction are simulated. Regadless of the perforation angle (the angle between the perforation and the max. horizontal principle stress), mirco-annulus will be produced alonge the wellbore circumferential direction when the cementation strength of the CCI and the CRI is less than the rock tensile strength; the delamination fractures are hard to propagate along the horizontal wellbore axial direction; emergence and propagation of delamination fractures are most likely produced on the shallow formation when the in-situ stresses are lower; the failure mode of cement sheath in the deep well is mainly interfaces seperation and body damange caused by cement expansion and contraction, or pressure testing and well shut-in operations.
The influence of the fracture process zone (FPZ) on the fracture properties is one of the hottest topics in the field of fracture mechanics for cementitious materials. Within the FPZ in front of a traction free crack, cohesive forces are distributed in accordance with the softening stress-separation constitutive relation of the material. Therefore, further crack propagation necessitates energy dissipation, which is the work done by the cohesive forces. In this paper $g_f$, the local fracture energy characterizing the energy consumption due to the cohesive forces, is discussed. The computational expression of $g_f$ in the FPZ can be obtained for any stage during the material fracture process regarding the variation of FPZ, whether in terms of its length or width. $G_{fa}$, the average energy consumption along the crack extension region, has also been computed and discussed in this paper. The experimental results obtained from the wedge splitting tests on specimens with different initial notch ratios are employed to investigate the property of the local fracture energy $g_f$ and the average value $G_{fa}$ over the crack extension length. These results can be used to indicate the influence of the FPZ. Additionally, changes in the length of the FPZ during the fracture process are also studied.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.31
no.3
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pp.121-125
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2018
In this study, finite element analyses of crack propagation along a sinusoidal interface are performed by using cohesive elements. BK law is used for cohesive zone to consider mixed mode traction-separation relation at the crack tip on a sinusoidal interface of a double cantilever beam specimen. The shape of a sinusoidal interface crack and the cohesive strength and the cohesive energies in mixed mode cohesive laws are varied in numerical experiments, and load-displacement curves at the ends of a double cantilever beam specimen are obtained to investigate the crack propagation behavior along a sinusoidal interface.
Metal and polymer sandwich composites, which are made of sheet metal sheath and polymer or fiber reinforced plastic core, have been reconsidered as an alternative to sheet metal due to their lightness and multifunctional properties such as damping and sound-proof properties. For the successful applications of these composites, the delamination prediction based on the adhesion strength is important element. In this study, the numerical simulation of the delamination behavior of polymeric adhesive tapes with metallic surfaces was performed using cohesive zone elements and finite element software. The traction-separation law of the cohesive zone element was defined using the fracture energy derived from peel mechanics and experimental results from peel test and implemented in finite element software. The peel test of the polymeric adhesive film against steel surface was simulated and compared with experiments, demonstrating reasonable agreement between simulation and experiment.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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