The mechanical behavior ot concrete is strongly influenced by various scenarios of
crack initiation and crack propagation. Recently. the study of the interface fracture and
cracking in interfacial regions is emerged as an important field, in the context of the
developement of high performance concrete composites. The crack path criterion for
elastically homogeneous materials is not valid when the crack advances at an interface
because. in this case, the consideration of the relative magnitudes of the fracture
toughnesses between the constituent materials and the interface are involved. In this
paper, a numerical method is presented to obtain the values of two interfacial fracture
parameters such as the energy release rate and the phase angle at the tip of an existing
interface crack. Criteria based on energy release rate concepts are suggested for the
prediction of crack growth at the interfaces and an hybrid experimental-numerical study
is presented on the two-phase beam composite models containing interface cracks to
investigate the cracking scenarios in interfacial regions. In general, good agreement
between the experimental results and the prediction from the criteria is obtained.
In this paper, the modified singular fracture process zone (S-FPZ) model is proposed to consider variation of a fracture criterion for continuous crack propagation in concrete. The fracture properties of the proposed fracture model are strain energy release rate at a micro-crack tip and crack closure stress (CCS) versus crack opening displacement (COD) relationship in the FPZ. The proposed model can simulate the estimated fracture energy of experimental results. The analysis results of the experimental data shows that specimen geometry and loading condition did not affect the CCS-COD relation. But the strain energy release rate is a function of not only specimen geometry but also crack extension. Until 25 mm crack extension, the strain energy release rate is a constant minimum value, and then it increased linearly to the maximum value. The maximum fracture criterion occurred at the peak load for an large size specimen. The fracture criterion remains the maximum value after the peak load. The variation of the fracture criterion is caused by micro-cracking and micro-crack localizing. The fracture criterion of strain energy release rate can simply be the size effect of concrete fracture, and it can be used to quantify the micro-tracking and micro-crack localizing behaviors of concrete.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2002.05a
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pp.203-206
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2002
The present study proposes a theoretical model for predicting the matrix crack density growth of each layer in composite laminates subjected to thermo-mechanical loads. Each layer with matrix cracks is treated as an equivalent continuum of degraded elastic stiffnesses which are functions of the matrix crack density in each slyer. The energy release rate as a function of the degraded elastic stiffnesses is then calculated for each layer as functions of thermo-mechanical loads externally applied to the laminate. The matrix crack densities of each layer in general laminates are predicted as functions of the thermo-mechanical loads applied to a number of laminates. Comparisons of the present study with experimental data in the open literatures are also provided.
Proceedings of the Korean Society of Precision Engineering Conference
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2004.10a
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pp.954-957
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2004
Tire belt durability is characterized by the initiation of a crack at the belt edge region, and the propagation of the crack until the ply is separated. Experimental methods have been used to analysis of the belt durability in the cord-reinforced rubber composite tires, but it takes much cost and time to make experiments. In this paper, a finite element method to analyze the fatigue life of a crack at the belt edge of tires is presented. The fatigue life is analyzed by using a three-dimensional Finite Element Modeling. This method includes a global-local finite element analysis to provide the detail necessary to model explicitly an internal crack and use of the J-integral for energy release rate evaluation.
An interfacial penny-shaped crack between piezoelectric layer and elastic half-space subjected to mechanical and electric loads is investigated. Using Hankel transform technique, the mixed boundary value problem is reduced to a system of singular integral equations. The integral equations are further reduced to a system of algebraic equations with the aid of Jacobi polynomials. The stress intensity factor and energy release rate are determined. Numerical results reveal the effects of electric loadings and material parameters of composite on crack propagation and growth. The results seem useful for design of the piezoelectric composite structures and devices of high performance.
KSCE Journal of Civil and Environmental Engineering Research
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v.9
no.3
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pp.65-73
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1989
Continuum formulations for the expressions of dynamic energy release rates and computational methods for dynamic stress intensity factors are developed for the analysis of dynamic fracture problems subjected to stress wave loading. Explicit volume integral expressions for instantaneous dynamic energy release rates are derived by modeling virtual crack extensions with the dynamic Eulerian-Lagrangian kinematic description. In the finite element applications a finite region around a crack-tip is modeled by using quarter-point singular isoparametric elements, and the volume integrals are evaluated for each crack-tip element during virtual crack extensions while the singularity is maintained. It is shown that the use of the present method is more reliable and accurate for the dynamic fracture analysis than that of other path-independent integral methods when the effects of stress waves are significant.
This paper studies the energies and energy release rate (ERR) for the initially rotationally symmetric compressed (or stretched) in the inward (outward) radial direction of the PZT/Elastic/PZT sandwich circular plate with interface penny-shaped cracks. The investigations are made by utilizing the so-called three-dimensional linearized field equations and relations of electro-elasticity for piezoelectric materials. The quantities related to the initial stress state are determined within the scope of the classical linear theory of piezoelectricity. Mathematical formulation of the corresponding problem and determination of the quantities related to the stress-strain state which appear as a result of the action of the uniformly normal additional opening forces acting on the penny-shaped crack's edges are made within the scope of the aforementioned three-dimensional linearized field equations solution which is obtained with the use of the FEM modelling. Numerical results of the energies and ERR and the influence of the problem parameters on these quantities are presented and discussed for the PZT- 5H/Al/PZT-5H, PZT-4/Al/PZT-4, $BaTiO_3/Al/BaTiO_3$ and PZT-5H/StPZT-5H sandwich plates. In particular, it is established that the magnitude of the influence of the piezoelectricity and initial loading on the ERR increases with crack radius length.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.2
s.173
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pp.496-505
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2000
A semi-infinite parallel crack propagated with constant velocity in two bonded anisotropic strip under anti-plane clamped displacement is analyzed. Using Fourier integral transform a Wiener-Hopf equation is derived. By solving this equation the asymptotic stress and displacement fields near the crack tip are determined, where the results give the more general expression applicable to the extent of the anisotropic material having one plane of elastic symmetry for the parallel crack. The dynamic stress intensity factor and energy release rate are also obtained as a closed form, which are the results applicable to the problem both of dynamic and static crack under the same geometry as this study. The stress intensity factor approaches zero at the critical crack velocity which is less than the shear wave velocity, but in typical case of isotropic or orthotropic material agrees with the velocity of shear wave. Also a circular shear stress around crack tip is considered, from which the stress is shown to be approximately symmetric about the horizontal axis. Referring to the maximum stress criteria, it could be shown that a brenched crack is formed by crack growth as crack velocity increases.
Analytical investigations were performed of a longitudinal crack representing a cylindrical surface in circular shafts loaded in torsion with taking into account the non-linear material behavior. Both functionally graded and multilayered shafts were analyzed. It was assumed that the material is functionally graded in radial direction. The mechanical behavior of shafts was modeled by using non-linear constitutive relations between the shear stresses and shear strains. The fracture was studied in terms of the strain energy release rate. Within the framework of small strain approach, the strain energy release rate was derived in a function of the torsion moments in the cross-sections ahead and behind the crack front. The analytical approach developed was applied to study the fracture in a clamped circular shaft. In order to verify the solution derived, the strain energy release rate was determined also by considering the shaft complimentary strain energy. The effects were evaluated of material properties, crack location and material non-linearity on the fracture behavior. The results obtained can be applied for optimization of the shafts structure with respect to the fracture performance. It was shown that the approach developed in the present paper is very useful for studying the longitudinal fracture in circular shafts in torsion with considering the material non-linearity.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.2
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pp.283-290
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2002
In this paper, we consider the dynamic electromechanical behavior of an eccentric Yoffe permeable crack in a piezoelectric ceramic strip sandwiched between two elastic orthotropic materials under the combined anti-plane mechanical shear and in-plane electrical loadings. Fourier transforms are used to reduce the problem to the solution of two pairs of dual integral equations, which are then expressed to a Fredholm integral equation of the second kind. The initial crack propagation orientation for PZT-5H piezoceramics is predicted by maximum energy release rate criterion.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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