Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.39
no.7
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pp.693-700
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2015
To estimate the fatigue crack propagation behavior of compact tension shear (CTS) specimen under mixed-mode loads, crack path prediction theories and Tanaka's equation were applied. The stress intensity factor at a newly created crack tip was calculated using a finite element method via ANSYS, and the crack path and crack increment were then obtained from the crack path prediction theories, Tanaka's equation, and the Paris' equation, which were preprogrammed in Microsoft Excel. A new method called the finite element crack tip updating method (FECTUM) was developed. In this method, the finite element method and Microsoft Excel are used to calculate the stress intensity factors and the crack path, respectively, at the crack tip per each crack increment. The developed FECTUM was applied to simulate the fatigue crack propagation of a single-edge notched bending (SENB) specimen under eccentric three-point bending loads. The results showed that the number of cycles to failure of the specimen obtained experimentally and numerically were in good agreement within an error range of less than 3%.
Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea
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v.25
no.3
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pp.267-275
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2012
In this study, crack growth in a center-cracked plate is predicted under mode I variable amplitude loading, and the result is validated by experiment. Huang's model is employed to describe crack growth with acceleration and retardation due to the variable loading effect. Experiment is conducted with Al6016-T6 plate, in which the load is applied, and crack length is measured periodically. Particle Filter algorithm, which is based on the Bayesian approach, is used to estimate model parameters from the experimental data, and predict the crack growth of the future in the probabilistic way. The prediction is validated by the run-to-failure results, from which it is observed that the method predicts well the unique behavior of crack retardation and the more data are used, the closer prediction we get to the actual run-to-failure data.
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.
The safety problems of giant hydraulic structures such as dams caused by terrorist attacks, earthquakes, and wars often have an important impact on a country's economy and people's livelihood. For the national defense department, timely and effective assessment of damage to or impending damage to dams and other structures is an important issue related to the safety of people's lives and property. In the field of damage assessment and vulnerability analysis, it is usually necessary to give the damage assessment results within a few minutes to determine the physical damage (crack length, crater size, etc.) and functional damage (decreased power generation capacity, dam stability descent, etc.), so that other defense and security departments can take corresponding measures to control potential other hazards. Although traditional numerical calculation methods can accurately calculate the crack length and crater size under certain combat conditions, it usually takes a long time and is not suitable for rapid damage assessment. In order to solve similar problems, this article combines simulation calculation methods with machine learning technology interdisciplinary. First, the common concrete gravity dam shape was selected as the simulation calculation object, and XFEM (Extended Finite Element Method) was used to simulate and calculate 19 cracks with different initial positions. Then, an LSTM (Long-Short Term Memory) machine learning model was established. 15 crack paths were selected as the training set and others were set for test. At last, the LSTM model was trained by the training set, and the prediction results on the crack path were compared with the test set. The results show that this method can be used to predict the crack propagation path rapidly and accurately. In general, this article explores the application of machine learning related technologies in the field of mechanics. It has broad application prospects in the fields of damage assessment and vulnerability analysis.
Aluminum alloy-based additive manufacturing (AM) has emerged as a popular manufacturing process for the fabrication of complex parts in the automotive and aerospace industries. The addition of an inoculant to aluminum alloy powder has been demonstrated to effectively reduce cracking by promoting the formation of equiaxed grains. However, the optimization of the AM process parameters remains challenging owing to their variability. In this study, the response surface methodology (RSM) was used to predict the crack density of AM-processed Al alloy samples. RSM was performed by setting the process parameters and equiaxed grain ratio, which influence crack propagation, as independent variables and designating crack density as a response variable. The RSM-based quadratic polynomial models for crack-density prediction were found to be highly accurate. The relationship among the process parameters, crack density, and equiaxed grain fraction was also investigated using RSM. The findings of this study highlight the efficacy of RSM as a reliable approach for optimizing the properties of AM-processed parts with limited experimental data. These results can contribute to the development of robust AM processing strategies for the fabrication of high-quality Al alloy components for various applications.
Due to higher strength-to-weight ratio of composite laminates, they find uses in many weight-sensitive applications like aerospace, automobile and marine structures. From a reliability point of view, accurate prediction of failure of these structures is important. Due to the complexities in the manufacturing processes of composite laminates, there is a variation in the material properties and geometric parameters. Hence stochastic aspects are important while designing the composite laminates. Many existing works of composite laminate failure analysis are based on the deterministic approach but it is important to consider the randomness in the material properties, geometry and loading to predict accurate failure loads. In this paper the statistics of the ultimate failure load of the [0/θ]s laminated composite plate (LCP) containing the edge crack and voids subjected to the tensile loading are presented in terms of the mean and coefficient of variance (COV). The objective is to better the efficacy of laminate failure by predicting the statistics of the ultimate failure load of LCP with random material, geometric and loading parameters. The stochastic analysis is done by using the extended finite element method (XFEM) combined with the second-order perturbation technique (SOPT). The ultimate failure load of the LCP is obtained by ply-by-ply failure analysis using the ply discount method combined with the Tsai-Wu failure criterion. The aim is to know the effect of the stacking sequence, crack length, crack angle, location of voids and number of voids on the mean and corresponding COV of the ultimate failure load of LCP is investigated. The results of the ultimate failure load obtained by the present method are in good agreement with the existing experimental and numerical results. It is observed that [0/θ]s LCPs are very sensitive to the randomness in the crack length, applied load, transverse tensile strength of the laminate and modulus of elasticity of the material, so precise control of these parameters is important. The novelty of the present study is, the stochastic implementation in XFEM for the failure prediction of LCPs containing crack and voids.
Finite element analysis for the stress intensity factor (SIF) at the skin/stiffener structure with inclined central crack repaired by composite stiffened panels is developed. A numerical investigation was conducted to characterize the fracture behavior and crack growth behavior at the inclined crack. In order to investigate the crack growth direction, maximum tangential stress (MTS) criterion are used. Also, this paper is to study the performance of the effective bonded composite patch repair of a plate containing an inclined central through-crack. The main objective of this research is the validation of the inclined crack patching design. In this paper, the reduction of stress intensity factors at the crack-tip and prediction of crack growth direction are determined to evaluate the effects of various non-dimensional design parameter including; composite patch thickness and stiffener distance. We report the results of finite element analysis on the stiffener locations and crack slant angles and discuss them in this paper. The research on cracked structure subjected to mixed mode loading is accomplished and concludes that more work using a different approaches is necessary. The authors hope the present study will aid those who are responsible for the repair of damaged aircraft structures and also provide general repair guidelines.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.29
no.8
s.239
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pp.1078-1084
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2005
The relationship between fatigue crack opening behavior and the reversed plastic zone sizes is studied. An elastic-plastic finite element analysis (FEA) is performed to examine the opening behavior of fatigue crack, where the contact elements are used in the mesh of the track tip area. The smaller element size than reversed plastic zone size is used fer evaluating the distribution of reversed plastic zone. In the author's previous results the FEA could predict the crack opening level, which crack tip elements were in proportion to the theoretical reversed plastic zone size. It is found that the calculated reversed plastic zone size is related to the theoretical reversed plastic zone size and crack opening level. The calculated reversed plastic zone sizes are almost equal to the reversed plastic zone considering crack opening level obtained by experimental results. It can be possible to predict the crack opening level from the reversed plastic zone size calculated by finite element method. We find that the experimental crack opening levels correspond with the opening values of contact nodes on the calculated reversed plastic zone of finite element simulation.
In this study, to investigate the effects of omitting low-amplitude cycles from a flight-simulation loading, crack growth tests are conducted on 2124-T851 aluminum alloy specimens. Three test spectra are generated by omitting small load ranges as counted by the rain-flow count method. The crack growth test results are compared with the data obtained from the flight-simulation loading. The experimental results show that omission of the load ranges below 5% of the maximum load does not significantly affect crack growth behavior, because these are below the initial stress intensity factor range. However, in the case of omitting the load ranges below 15% of the maximum load, crack growth rates decrease, and therefore crack growth curve deviates from the crack growth data under the flight-simulation loading. To optimize the load range that can be omitted, crack growth curves are simulated by the stochastic crack growth model. The prediction shows that the omission level can be extended to 8% of the maximum load and test time can be reduced by 59%.
In order to consider the concept of the fitness for purpose'in fatigue design of offshore structure, fracture mechanics is applied to evaluate initial or weld defects. Generally, linear elastic fracture mechanics has been applied to tstimate initial fatigue crack propagation rate as well as long fatigue crack propagation rate. But, initial fatigue crack propagation rate in elasto-plastic notch field may not be characterized by application of stress intensity factor range .DELTA. K, because plastic effect due to stress concentration of notch may contribute to initial crack propagation. Therefore, to introduce the plastic effect into fatigue crack driving force, in this studty, the evaluating method of J-integral range .DELTA. J, was developed by willson was modified for application to notch field. In calculation of .DELTA. J obtained from the modified J-integral, stress gradient and crack closure behavior in the notch field were considered. The initial crack propagation rates in the notch fields of mild steels and high tensile strength steels were correlated to .DELTA. J. As the result, it was cleared that the present .DELTA. J is applicable to charachterize the fatigue crack propagation rates in both the elastic and elasto-plastic notch fields.
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