Recently, the structural failures due to fatigue occur frequently with the increase of size of ships and offshore structures. In this respect, the assessment of fatigue life and the residual strength are very important. Currently, the smart materials technology has demonstrated a variety of possibilities for a diagnosis of structural strength and structural health condition for large structures. The benefits and feature of the MFC sensor are more flexible, durable and reliable than conventional smart material. In this study, Micro Fiber Composite (MFC) sensor for the measurement of stress intensity factor (SIF) of two dimensional cracks induced in a structure is developed. Two MFC sensors are placed in the vicinity of the crack tip close to each other with the crack tip in between them. The SIFs of Mode I($K_I$) as well as of Mode II($K_{II}$) based on the piezoelectric constitutive law and fracture mechanics are calculated. In this study, the SIF values measured by MFC sensors are compared with the theoretical results and measured value.
In this paper, the higher order terms in the crack tip stress fields are investigated macroscopically for more realistic assessment of structural material behaviors. For reactor pressure vessel material of A533B ferritic steel, effects of crack size and temperature have been evaluated using 3-point SENB specimens through a series of finite element analyses, tensile tests and fracture toughness tests. The T-stress, Q-parameter and q-parameter as well as the K and J-integral are calculated and mutual relationships are investigated also. Based on the evaluation, it has proven that the effect of crack size from standard length (a/W=0.53) to shallow length (a/W=0.11) is remarkable whilst the effect of temperature from -20$^{\circ}C$ to -60$^{\circ}C$ is negligible. Finally, the cleavage fracture toughness loci as a function of the promising Q-parameter or q-parameter are developed using specific test results as well as finite element analysis results, which can be applicable for structural integrity evaluation considering constraint effects.
Transactions of the Korean Society of Pressure Vessels and Piping
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v.15
no.2
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pp.71-80
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2019
In this study, limit load equations of thick-walled pipes with inner and outer circumferential surface cracks were derived based on force and moment equilibrium conditions. Since the limit load equations based on the mean radius at uncracked ligament, previously proposed by Kanninen et al., are based on the premise that the pipe wall thickness is relatively thin, the existing limit load solutions are only applicable to thin-walled pipes. In order to analyze the effect of the pipe thickness and surface crack depth on the limit load results, the predictions using the present limit load equations are compared with those using the existing solutions for thin-walled pipes. Being derived considering the thickness effect, the limit load solutions from this paper are believed to be more accurate for thick-walled pipes than the limit load equations presented for thin-walled pipes, and thus to be valuable equations for integrity assessment of thick-walled pipes.
Reinforcement corrosion can cause serious safety deterioration to aging concrete structures exposed in aggressive environments. This paper presents an approach for reliability analyses of deteriorating reinforced concrete structures affected by reinforcement corrosion on the basis of the representative symptoms identified during the deterioration process. The concrete cracking growth and rebar bond strength evolution due to reinforcement corrosion are chosen as key symptoms for the performance deterioration of concrete structures. The crack width at concrete cover surface largely depends on the corrosion penetration of rebar due to the expansive rust layer at the bond interface generated by reinforcement corrosion. The bond strength of rebar in the concrete correlates well with concrete crack width and decays steadily with crack width growth. The estimates of cracking development and bond strength deterioration are examined by experimental data available from various sources, and then matched with symptom-based lifetime Weibull model. The symptom reliability and remaining useful life are predicted from the predictive lifetime Weibull model for deteriorating concrete structures. Finally, a numerical example is provided to demonstrate the applicability of the proposed approach for forecasting the performance of concrete structures subject to reinforcement corrosion. The results show that the corrosion rate has significant impact on the reliability associated with serviceability and load bearing capacity of reinforced concrete structures during their service life.
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.
Journal of the Society of Naval Architects of Korea
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v.48
no.6
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pp.539-543
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2011
Recently, to reduce the noise and vibration levels of ships, high skewed marine propellers with thinner thickness are adopted widely, however, such propeller design trend causes to reduce the strength of blades. Propeller blades are rotating continuously in irregular wake field of ships. So, it is necessary to examine the strength of them precisely including from a viewpoint of fatigue strength. In present paper, the fatigue strength of propeller blades was investigated. Firstly, fatigue tests for Al Bronze, the representative propeller material, were carried out. The S-N curve was obtained for the assessment of the fatigue crack initiation life. And the material properties C, m for the fatigue crack propagation analysis based on the Paris' equation were derived. For the 2nd stage, the structural responses of propeller blades in irregular ship wake field was carried out using the finite element analysis code. And the fatigue strength of propeller blades were considered based on the calculated stress levels and material characteristics for fatigue strength.
The large-scale structures have the possibility that there are defects such as cracks due to stress concentration caused by geometric discontinuities in the structure. In this respect, the assessment of fatigue life and the development of structural health monitoring(SHM) are very important. Fatigue design of structure is typically accomplished either using a set of stress cycle (S-N) data obtained from fatigue tests or using the fracture mechanics approach. The stress intensity factor(SIF) is required for the estimation of fatigue crack propagation life from the linear elastic fracture mechanics (LEFM) perspective. In this study, Macro Fiber Composie(MFC) sensor for the measurement of SIF of two dimensional cracks is used. The SIF based on the piezoelectric constitutive law and fracture mechanics are calculated. The measured values of the SIF are later used for the prediction of the crack propagation life. In this study, the measured value of the SIF and the fatigue life are compared with the theoretical results.
Memarzadeh, Parham;Mousavian, Sayedmohammad;Ghehi, Mohammad Hosseini;Zirakian, Tadeh
Steel and Composite Structures
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v.35
no.2
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pp.215-235
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2020
Cracks and defects may occur anywhere in a plate under tension. Cracks can affect the buckling stability performance and even the failure mode of the plate. A search of the literature reveals that the reported research has mostly focused on the study of plates with central and small cracks. Considering the effectiveness of cracks on the buckling behavior of plates, this study intends to investigate the effects of some key parameters, i.e., crack size and location as well as the plate aspect ratio and support conditions, on the buckling behavior, stress intensity factor (SIF), and the failure mode (buckling or fracture) in cracked plates under tension. To this end, a sophisticated mathematical code was developed using MATLAB in the frame-work of extended finite element method (XFEM) in order to analyze the buckling stability and collapse of numerous plate models. The results and findings of this research endeavor show that, in addition to the plate aspect ratio and support conditions, careful consideration of the crack location and size can be quite effective in buckling behavior assessment and failure mode prediction as well as SIF evaluation of the cracked plates subjected to tensile loading.
Buckling is one of the major causes of failure in thin-walled plate members and the presence of cracks with different lengths and locations in such structures may adversely affect this phenomenon. This study focuses on the buckling stability assessment of centrally and non-centrally cracked plates with small-, intermediate-, and large-size cracks, and different aspect ratios as well as support conditions, subjected to uniaxial compression. To this end, numerical models of the cracked plates were created through singular finite element method using a computational code developed in MATLAB. Eigen-buckling analyses were also performed to study the stability behavior of the plates. The numerical results and findings of this research demonstrate the effectiveness of the crack length and location on the buckling capacity of thin plates; however, the degree of efficacy of these parameters in plates with various aspect ratios and support conditions is found to be significantly different. Overall, careful consideration of the aspect ratio, support conditions, and crack parameters in buckling analysis of plates is crucial for efficient stability design and successful application of such thin-walled members.
균열불안정 해석법인 COD설계곡선법과 R6파괴 평가도법에 있어서 그 응용 한계의 확립과 타당성 수준의 정량화를 위해 포괄적인 비교 연구가 수행되었다. 참고로서 J-적분 균열불안정성 해석법이 이용되었다. 본 연구의 결과로서, 균열확장의 유무에 대한 R6 파괴 평가도법이 매우 우수한 방법임을 보여준다. COD 설계곡선법에 대한 영국 표준국 순서에 따른 결과로서는, 큰 스캐터 밴드를 가진 상당량의 부당성 해를 보여준다. 이러한 COD설계곡선법의 해를 개선하기 위한 새로운 접근법이 개발되었고, 그 타당성이 입증되었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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