The possibility of detecting a crack in L-shaped pipes filled with fluid based on measurement of transverse natural frequencies is examined. The problem is solved by representing the crack by a massless rotational spring, simulating the out-of-plane transverse vibration only without solving the coupled torsional vibration and using the transfer matrix method for solution of the governing equation. The theoretical solutions are verified by experiments. The cracks considered are external, circumferentially oriented and have straight front. Pipes made of aluminium and mild steel are tested with water as internal fluid. Crack size to pipe thickness ratio ranging from 0.20 to 0.57 and fluid (gauge) pressure in the range of 0 to 10 atmospheres are examined. The rotational spring stiffness is obtained by an inverse vibration analysis and deflection method. The details of the two methods are given. The results by the two methods are presented graphically and show good agreement. Crack locations are also determined by the inverse analysis. The maximum absolute error in the location is 13.80%. Experimentally determined variation of rotational spring stiffness with ratio of crack size to thickness is utilized to predict the crack sizes. The maximum absolute errors in prediction of crack size are 17.24% and 16.90% for aluminium and mild steel pipes respectively.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.21
no.6
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pp.971-980
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1997
This study is to investigate the stiffness degradation of a composite laminated panel including transverse matrix cracks subjected to bending and twisting moments. Micromechanics theory on the composite material is derived by introducing crack density. Iterative numerical scheme is developed to calculate the degraded composite stiffness which has nonlinear relation due to the crack density. The finite element method is used for structural analysis of the composite panel. Structural responses of the composite panel are examined for various laminated angles and crack density under the bending and twisting moments. Also, the effect of crack opening and closing is considered in the examination. It is realized that the matrix cracks may cause severe stiffness reduction and should be considered in the composite laminated panel.
In this paper, the effect of matrix cracks on the buckling of a hybrid laminated plate is investigated. The plate is composed of carbon nanotube reinforced functionally graded (CNTR-FG) layers and conventional fiber reinforced composite (FRC) layers. Different distributions of single walled carbon nanotubes (SWCNTs) through the thickness of layers are considered. The cracks are modeled as aligned slit cracks across the ply thickness and transverse to the laminate plane, and the distribution of cracks is assumed statistically homogeneous corresponding to an average crack density. The first-order shear deformation theory (FSDT) is employed to incorporate the effects of rotary inertia and transverse shear deformation, and the meshless kp-Ritz method is used to obtain the buckling solutions. Detailed parametric studies are conducted to investigate the effects of matrix crack density, CNTs distributions, CNT volume fraction, plate aspect ratio and plate length-to-thickness ratio, boundary conditions and number of layers on buckling behaviors of hybrid laminated plates containing CNTR-FG layers.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.11
no.1
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pp.29-36
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1991
The effects of heat treatment on fatigue crack growth behavior were studied in continuously reinfored, magnesium-based composite (FP/ZE41A). Following an earlier TEM investigation, specimens were thermally aged to modify the interfacial zone between the alumina fibers and mg alloy matrix. The fatigue crack growth experiments were conducted with specimens having the fiber orientation normal to the crack growth direction(longitudinal) and also specimens with the fibers oriented parallel to the crack growth direction(transverse). A comparision of the fatigue crack growth behavior indicates that aged longitudinal specimens are more resistant to fatigue crack growth than as-fabricated longitudinal specimens. Conversely, as-fabricated transverse specimens are more resistant to fatigue crack growth than aged transverse specimens. SEM observations of fiber pullout and ductile tearing on the fatigue fracture surfaces indicate that the aging weakens the strength of the fiber/matrix interface, giving rise to the observed fatigue crack growth behavior.
Kim, Doo Hwan;Park, Yong Gul;Kim, Sung Hoon;Han, Suk Kyu
Journal of Korean Society of Steel Construction
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v.9
no.4
s.33
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pp.515-521
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1997
The effects of heat treatment and fiber orientation on tensile strength and fatigue behavior were studied in a continuously reinforced. magnesium-based composite Following an earlier TEM investigation, specimens were thermally aged to modified the interfacial zone between the alumina fibers and the magnesium alloy matrix. From the tensile experimental results, the ultimate tensile strength of the aged specimens were lower than that of the as-fabricated due to weak fiber-matrix interfacial strength with chemical reaction during the thermal processing. The fatigue crack growth experiments were conducted with specimens having the fiber orientation normal to the crack growth direction (longitudinal) and also specimens with the fibers oriented parallel to the crack growth direction(transverse). A comparison of the fatigue crack growth behavior indicates that aged longitudinal specimens are more resistant to fatigue crack growth the as-fabricated longitudinal specimens. Conversely, as-fabricated transverse specimens are more resistant to fatigue crack growth than aged transverse specimens.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2000.11a
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pp.527-533
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2000
It is investigated that the characteristics of rotating cantilevered composite beam with a breathing crack. In the present study, the crack is modeled as a breathing crack which opens and closes with the motion of the unidirectional graphite-fiber reinforced polyimide beam. For the finite element analysis, the cracked element is modelled by the local flexibility matrix calculated on the basis of fracture mechanics using Castiligano theorem. Rotating beam is considered only transverse bending motion so that the element includes two degrees of freedom per node such as the transverse deflection and slope. The time history and frequency response function of the beam with a breathing crack are studied by Newmark direct time integration method and FFT(Fast Fourier Transform)simulation. Effects of various parameters such as the crack depths, crack locations, ply angles, volume fraction ratios, and rotating speeds of the beam are also studied. Numerical results indicate that it is more reliable to be modelled as a breathing crack than an open crack.
To determine the effect of transverse open crack on the dynamic behavior of simply-supported Euler-Bernoulli beam with the moving masses, an iterative modal analysis approach is developed. The influence of depth and position of the crack in the beam, on the dynamic behavior of the simply supported beam system, have been studied by numerical method. The cracked section is represented by a local flexibility matrix, connecting two undamaged beam segments that is, the crack is modeled as a rotational spring. This flexibility matrix defines the relationship between the displacements and forces across the crack section, and is derived by applying a fundamental fracture mechanics theory. As the depth of the crack is increased, the mid-span deflection of the simply-supported beam, with the moving mass, is increased. The crack is positioned in the middle point of the pipe, and the mid-span defection of the simply-supported pipe represents maximum deflection.
Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering
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v.13
no.9
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pp.720-729
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2003
An iterative modal analysis approach is developed to determine the effect of transverse open cracks on the dynamic behavior of simply supported Euler-Bernoulli beam with the moving mass. The influences of the depth and the position of the crack in the beam have been studied on the dynamic behavior of the simply supported beam system by numerical method. The crack section is represented by a local flexibility matrix connecting two undamaged beam segments i.e. the crack is modelled as a rotational spring. This flexibility matrix defines the relationship between the displacements and forces across the crack section and is derived by applying fundamental fracture mechanics theory. As the depth of the crack is increased the frequency of the simply supported beam with the moving mass is increased.
Khodjet-Kesba, M.;Benkhedda, A.;Adda Bedia, E.A.;Boukert, B.
Structural Engineering and Mechanics
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v.67
no.2
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pp.165-173
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2018
A simple predicted model using a modified Shear-lag method was used to represent the moisture absorption effect on the stiffness degradation for $[0/90]_{2s}$ composite laminates with transverse cracks and under flexural loading. Good agreement is obtained by comparing the prediction model and experimental data published by Smith and Ogin (2000). The material properties of the composite are affected by the variation of temperature and moisture absorption. The transient and non-uniform moisture concentration distribution give rise to the transient elastic moduli of cracked composite laminates. The hygrothermal effect is taken into account to assess the changes in the normalised axial and flexural modulus due to transverse crack. The obtained results represent well the dependence of the stiffness properties degradation on the cracks density, moisture absorption and operational temperature. The composite laminate with transverse crack loaded in axial tension is more affected by the hygrothermal condition than the one under flexural loading. Through this theoretical study, we hope to contribute to the understanding of the moisture absorption on the composite materials with matrix cracking.
Proceedings of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering Conference
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2003.05a
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pp.689-694
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2003
An iterative modal analysis approach is developed to determine the effect of transverse open cracks on the dynamic behavior of simply supported pipe conveying fluid subject to the moving mass. The equation of motion is derived by using Lagrange's equation. The influences of the velocity of moving mass and the velocity of fluid flow and a crack have been studied on the dynamic behavior of a simply supported pipe system by numerical method. The presence of crack results in higher deflections of pipe. The crack section is represented by a local flexibility matrix connecting two undamaged beam segments i.e. the crack is modelled as a rotational spring. Totally, as the velocity of fluid flow and the crack severity are increased, the mid-span deflection of simply supported pipe conveying fluid is increased. The time which produce the maximum dynamic deflection of the simply supported pipe is delayed according to the increment of the crack severity.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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