In this paper, we present a 3D thermo-hydro-mechanical coupled discrete beam lattice model of structure built of the nonisothermal saturated poro-plastic medium subjected to mechanical loads and nonstationary heat transfer conditions. The proposed model is based on Voronoi cell representation of the domain with cohesive links represented as inelastic Timoshenko beam finite elements enhanced with additional kinematics in terms of embedded strong discontinuities in axial and both transverse directions. The enhanced Timoshenko beam finite element is capable of modeling crack formation in mode I, mode II and mode III. Mode I relates to crack opening, mode II relates to in-plane crack sliding, and mode III relates to the out-of-plane shear sliding. The pore fluid flow and heat flow in the proposed model are governed by Darcy's law and Fourier's law for heat conduction, respectively. The pore pressure field and temperature field are approximated with linear tetrahedral finite elements. By exploiting nodal point quadrature rule for numerical integration on tetrahedral finite elements and duality property between Voronoi diagram and Delaunay tetrahedralization, the numerical implementation of the coupling results with additional pore pressure and temperature degrees of freedom placed at each node of a Timoshenko beam finite element. The results of several numerical simulations are presented and discussed.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.27
no.9
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pp.1469-1476
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2003
This paper provides plastic limit load solutions of cylinders with circumferential part-through surface cracks under combined axial tension, internal pressure and global bending. Such solutions are developed based on detailed three-dimensional (3-D) finite element (FE) limit analyses using elastic-perfectly-plastic material behaviour, together with analytical solutions based on equilibrium stress fields. For the crack location, both external and internal cracks are considered. Furthermore, in terms of the crack shape, both semi-elliptical and constant-depth surface cracks are considered. The resulting limit load solutions are given in a closed form, and thus can be easily used in practical situations. Being based on detailed 3-D FE limit analysis, the present solutions are believed to most reliable, and thus to be valuable information for integrity assessment of piping.
As a new type of concrete material, basic magnesium sulfate cement concrete (BMSC) has the advantages, such as early strength, high strength, good toughness and crack resistance. However, it is unclear about the degradation of the mechanical properties of BMSC columns, which is exposed to the natural environment for several years. In order to apply this new concrete to practical engineering, six large-eccentricity compressive columns of BMSC were studied. The mechanical properties such as the crack propagation, failure morphology, lateral displacement and bearing capacity of BMSC column were studied. The results show that the degradation rate of ultimate load of BMSC column is from 6% to 7%. The degradation rate of the stiffness of the column is from 6% to 13%. With the increase of compressive strength of BMSC, the axial displacement and lateral displacement are gradually reduced. The calculation model of bearing capacity of the BMSC column under the large eccentric compression is proposed. This paper provides a reference for the application of BMSC columns in the civil engineering.
Cho, Jeongmin;Chae, Hobyung;Kim, Heesan;Kim, Jung-Gu;Kim, Woo Cheol;Lee, Soo Yeol
Corrosion Science and Technology
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v.21
no.4
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pp.243-249
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2022
The objective of the present study was to perform failure analysis of double-layered bellow (expansion joint), a core part of stress reliever, used to relieve axial stresses induced by thermal expansion of heat-transport pipes in a district heating system. The bellow underwent tensile or compressive stresses due to its structure in terms of position. A leaked position sufferred a fatigue with a tensile component for decades. A cracked bellow contained a higher fraction of martensitic phase because of manufacturing and usage histories, which induced more brittleness on the component. Inclusions in the inner layer of the bellow acted as a site of stress concentration, from which cracks initiated and then propagated along the hoop direction from the inner surface of the inner layer under fatigue loading conditions. As the crack reached critical thickness, the crack propagated to the outer surface at a higher rate, resulting in leakage of the stress reliever.
Failure patterns of rock specimens represent valuable information about the mechanical properties and crack evolution mechanism of rock. Several kinds of research have been conducted regarding the failure mechanism of brittle material, however; the influence of brittleness on the failure mechanism of rock specimens has not been precisely considered. In the present study, experimental and numerical examinations have been made to evaluate the physical and mechanical phenomena associated with rock failure mechanisms through the uniaxial compression test. In the experimental part, Unconfined Compressive Strength (UCS) tests equipped with Acoustic Emission (AE) have been conducted on rock samples with three different brittleness. Then, the numerical models have been calibrated based on experimental test results for further investigation and comparing the micro-cracking process in experimental and numerical models. It can be perceived that the failure mode of specimens with high brittleness is tensile axial splitting, based on the experimental evidence of rock specimens with different brittleness. Also, the crack growth mechanism of the rock specimens with various brittleness using discrete element modeling in the numerical part suggested that the specimens with more brittleness contain more tensile fracture during the loading sequences.
The behavior of fatigue crack growth in the single spot welded joint of zinc galvanized steel sheets was studied experimentally and analytically based on fracture mechanics. Axial tension fatigue tests were carried out with the BSxGAB specimen that the bare plane(GAB) of monogalvanized steel sheet was spot welded to the double thickness bare steel sheet(BS), and with the GAxGAB specimen that the galvanized plane (GA) was spot welded to the equal thickness bare plane (GAB) 1. The relation between maximum stress intensity factor, K sub(max) and the number of cycles to failure, N sub(f) has shown a linear relation on log-log plot in the spot weld of the zinc galvanized steel sheet. 2. The fatigue strength of BSxGAB specimens is about 23% higher than that of GAxGAB specimens at the fatigue strength of $1\times10^6$ cycles. And the fatigue life of BSxGAB specimens at the same load range increases 6~9 times higher than that of GAxGAB specimens. 3. The general tendency at the angle of bending($\theta$) in an applied load has changed rapidly at the initial 20% of its life. After then, it has changed slowly. The change at the angle of bending has increased linearly as the load range increases. 4. It has shown a linear relation between the location ratio of initiation ${\gamma}$ and fatigue life $N_f$ on the semi-log graph paper. Here $\gamma$ means that the crack distance between main crack and sub-crack, 2L is divided by the nugget diameter, 2r. $\gamma=a{\cdot}log N_f+n$ (where a and n are material constant.)
A liquid metal reactor (LMR) operated at high temperatures is subjected to both cyclic mechanical loading and thermal loading; thus, creep-fatigue is a major concern to be addressed with regard to maintaining structural integrity. The Korea Advanced Liquid Metal Reactor (KALIMER), which has a normal operating temperature of $545^{\circ}C$ and a total service life time of 60 years, is composed of various cylindrical structures, such as the reactor vessel and the reactor baffle. This study focuses on the creepfatigue crack initiation for a cylindrical Y-junction structure made of 316 stainless steel (SS), which is subjected to cyclic axial tensile loading and thermal loading at a high-temperature hold time of $545^{\circ}C$. The evaluation of the considered creep-fatigue crack initiation was carried out utilizing the ${\sigma}_d$ approach of the RCC-MR A16 guide, which is the high-temperature defect assessment procedure. This procedure is based on the total accumulated strain during the service time. To confirm the evaluated result, a high-temperature creep-fatigue structural test was performed. The test model had a circumferential through wall defect at the center of the model. The defect front of the test model was investigated after the $100^{th}$ cycle of the testing by utilizing a metallurgical inspection technique with an optical microscope, after which the test result was compared with the evaluation result. This study shows how creep-fatigue crack initiation for a high-temperature structure can be predicted with conservatism per the RCC-MR A16 guide.
In recent years, the subject of remaining life assessment has drawn considerable attention in power plants, where various structural components typically operate at high temperature and pressure. Thus a life prediction methodology accounting for high temperature creep fracture is increasingly needed for the components. Critical defects in such structures are generally found in the form of semi-elliptical surface crack, and the analysis of which is consequently an important problem in engineering fracture mechanics. On this background, we first develop an auto mesh generation program for detailed 3-D finite element analyses of axial and circumferential semi-elliptical surface cracks in a piping system. A high temperature creep fracture parameter $C^{\ast}$-integral is obtained from the finite element analyses of generated 3-D models. Post crack growth module is further appended here to calculate the amount of crack growth. Finally the remaining lives of surface cracked pipes for various analytical parameters are assessed using the developed life assessment program.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.17
no.6
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pp.1351-1360
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1993
The fatigue behavior of GFRP composites is affected by environmental parameters. Therefore, we have to study on effect of sea water on fatigue behavior of GFRP composites as to maintain the safety and confidence in design of ocean structure of GFRP. In this paper, we investigated the fatigue properties of chopped strand glass mat/polyester composite in synthetic sea water. (pH 8.2) In case of the glass fiber (CSM type) reinforced polyester composite materials, the fatigue crack in the both dry and wet specimens tested in air or synthetic sea water occurred at the initial of cycle. Thereafter, it was divided with two regions that one decreased with the crack extension and the other increased with the crack extension. The transition point occurred during the crack propagation shifted to high ${\Delta}K$ value as load increase but its point is not changed regardless of immersion or test environment under a constant load. The synthetic sea water degrades the bond strength between fiber and matrix, thereby the tendency of rapid deceleration and acceleration of the crack growth was appeared.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.28
no.5
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pp.524-531
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2004
To investigate relevance of the definition of the reference stress to estimate J and $C^{*}$ for surface crack problems, this paper compares FE J and $C^{*}$ results for surface cracked pipes with those estimated according to the reference stress approach using various definitions of the reference stress. Pipes with part circumferential inner surface crack and finite internal axial crack are considered, subject to internal pressure and global bending. The crack depth and aspect ratio are systematically varied. The reference stress is defined in four different ways using (i) the local limit load, (ii) the global limit load, (iii) the global limit load determined from the FE limit analysis, and (iv) the optimized reference load. It is found that the reference stress based on the local limit load gives overall excessively conservative estimates of J and $^{*}$. Use of the global limit load clearly reduces the conservatism, compared to that of the local limit load, although it can provide sometimes non-conservative estimates of J and $^{*}$. The use of the FE global limit load gives overall non-conservative estimates of J and $^{*}$. The reference stress based on the optimised reference load gives overall accurate estimates of J and $^{*}$, compared to other definitions of the reference stress. Based on the present finding, general guidance on the choice of the reference stress for surface crack problems is given.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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