Longitudinal fracture behavior of non-linear elastic beam configurations is studied in terms of the strain energy release rate. It is assumed that the beams exhibit continuous material inhomogeneity along the width as well as along the height of the crosssection. The Ramberg-Osgood stress-strain relation is used for describing the non-linear mechanical behavior of the inhomogeneous material. A solution to strain energy release rate is derived that holds for inhomogeneous beams of arbitrary cross-section under combination of axial force and bending moments. Besides, the solution may be applied at any law of continuous distribution of the modulus of elasticity in the beam cross-section. The longitudinal crack may be located arbitrary along the beam height. The solution is used to investigate a longitudinal crack in a beam configuration of rectangular cross-section under four-point bending. The crack is located symmetrically with respect to the beam mid-span. It is assumed that the modulus of elasticity varies continuously according a cosine law in the beam cross-section. The longitudinal fracture behavior of the inhomogeneous beam is studied also by applying the J-integral approach for verification of the non-linear solution to the strain energy release rate derived in the present paper. Effects of material inhomogeneity, crack location along the beam height and non-linear mechanical behavior of the material on the longitudinal fracture behavior are evaluated. Thus, the solution derived in the present paper can be used in engineering design of inhomogeneous non-linear elastic structural members to assess the influence of various material and geometrical parameters on longitudinal fracture.
Analytical investigation of the fracture of inhomogeneous beam with two parallel lengthwise cracks is performed. The thickness of the beam varies continuously along the beam length. The beam is loaded in three-point bending. Two beam configurations with different lengths of the cracks are analyzed. The two cracks are located arbitrary along the thickness of the beam. Solutions to the strain energy release rate are derived assuming that the material has non-linear elastic mechanical behavior. Besides, the beam exhibits continuous material inhomogeneity along its thickness. The balance of the energy is analyzed in order to derive the strain energy release rate. Verifications of the solutions are carried-out by considering the complementary strain energy stored in the beam configurations. The influence of the continuous variation of the thickness along the beam length on the lengthwise fracture behavior is investigated. The dependence of the lengthwise fracture on the lengths of the two parallel cracks is also studied.
The present paper is focused on analyzing the delamination of inhomogeneous multilayered rods of circular cross-section loaded in torsion. The rods are made of concentric longitudinal layers of individual thickness and material properties. A delamination crack is located arbitrary between layers. Thus, the internal and external crack arms have circular and ring-shaped cross-sections, respectively. The layers exhibit continuous material inhomogeneity in radial direction. Besides, the material has non-linear elastic behavior. The delamination is analyzed in terms of the strain energy release rate. General solution to the strain energy release rate is derived by considering the energy balance. The solution is applied to analyze the delamination of cantilever rod. For verification, the strain energy release rate is derived also by considering the complementary strain energy.
Yaylaci, Murat;Adiyaman, Gokhan;Oner, Erdal;Birinci, Ahmet
Computers and Concrete
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제27권3호
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pp.199-210
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2021
The aim of this paper was to examine the continuous and discontinuous contact problems between the functionally graded (FG) layer pressed with a uniformly distributed load and homogeneous half plane using an analytical method and FEM. The FG layer is made of non-homogeneous material with an isotropic stress-strain law with exponentially varying properties. It is assumed that the contact at the FG layer-half plane interface is frictionless, and only the normal tractions can be transmitted along the contacted regions. The body force of the FG layer is considered in the study. The FG layer was positioned on the homogeneous half plane without any bonds. Thus, if the external load was smaller than a certain critical value, the contact between the FG layer and half plane would be continuous. However, when the external load exceeded the critical value, there was a separation between the FG layer and half plane on the finite region, as discontinuous contact. Therefore, there have been some steps taken in this study. Firstly, an analytical solution for continuous and discontinuous contact cases of the problem has been realized using the theory of elasticity and Fourier integral transform techniques. Then, the problem modeled and two-dimensional analysis was carried out by using ANSYS package program based on FEM. Numerical results for initial separation distance and contact stress distributions between the FG layer and homogeneous half plane for continuous contact case; the start and end points of separation and contact stress distributions between the FG layer and homogeneous half plane for discontinuous contact case were provided for various dimensionless quantities including material inhomogeneity, distributed load width, the shear module ratio and load factor for both methods. The results obtained using FEM were compared with the results found using analytical formulation. It was found that the results obtained from analytical formulation were in perfect agreement with the FEM study.
This paper deals with delamination analysis of non-linear viscoelastic multilayered beam subjected to bending in the plane of the layers. For this purpose, first, a non-linear viscoelastic model is presented. In order to take into account the non-linear viscoelastic behaviour, a non-linear spring and a non-linear dashpot are assembled in series with a linear spring connected in parallel to a linear dashpot. The behaviours of the non-linear spring and dashpot are described by applying non-linear stress-strain and stress-rate of strain relationships, respectively. The constitutive law of the model is derived. Due to the non-linear spring and dashpot, the constitutive law is non-linear. This law is used for describing the time-dependent mechanical behaviour of the beam under consideration. The material properties involved in the constitutive law vary along the beam length due to the continuous material inhomogeneity of the layers. Solution of the strain energy release rate for the delamination is obtained by analyzing the balance of the energy with considering of the non-linear viscoelastic behaviour. The strain energy release rate is found also by using the complementary strain energy for verification. A parametric study is carried-out by using the solution obtained. The solutions derived and the results obtained help to understand the time-dependent delamination of non-linear viscoelastic beams under loading in the plane of layers.
This paper is focused on the delamination analysis of a multilayered beam structure loaded in torsion under strain-path control. The beam under consideration has a rectangular cross-section. The layers of the beam are made of different viscoelastic materials which exhibit continuous inhomogeneity in longitudinal direction. Since the delamination is located inside the beam structure, the torsion moments in the two crack arms are obtained by modeling the beam as an internally static undetermined structure. The strain energy stored in the beam is analyzed in order to derive the strain energy release rate (SERR). Since the delamination is located inside the beam, the delamination has two tips. Thus, solutions of the SERR are obtained for both tips. The solutions are verified by analyzing the beam compliance. Delamination analysis with bending-torsion coupling is also performed. The solutions derived are timedependent due to two factors. First, the beam has viscoelastic behavior and, second, the angle of twist of the beam-free end induced by the external torsion moment changes with time according to a law that is fixed in advance.
In this study, continuous contact problem in the functionally graded (FG) layer loaded with a FG flat punch resting on the elastic semi-infinite plane was analyzed by the finite element method (FEM). It was assumed that the shear modulus and density of the layer and punch varied according to exponentially throughout their depth. FG layer's weight was included to the problem and additionally all surfaces were considered as frictionless. Analysis of FG materials was performed with a special macro which was added to the ANSYS program. Firstly, the shear modulus of the punch was considered to be very rigid and the results of initial separation load (λcr) and distance (xcr) were compared with the analytical solution. Afterwards, results obtained from the contact analysis made according to the inhomogeneity parameters (β, γ) between FG punch-FG layer which had been unprecedented in the literature were discussed. As a result, FG punch's stress values at the punch edges where stress accumulations occurred were found to be smaller than the rigid punch. The security of the structure, longer life of the material and ease of production are directly related to the reduction of the stress values. The results obtained in this study are important in this respect. Also this work is the first study that investigates the effect of FG punch on the FG layer.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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