Finite element analysis(FEA) is the most popular numerical method to simulate plasticity-induced fatigue crack closure and can predict fatigue crack closure behavior. Finite element analysis under plane stress state using 4-node isoparametric elements is performed to investigate the detailed closure behavior of fatigue cracks and the numerical results are compared with experimental results. The mesh of constant size elements on the crack surface can not correctly predict the opening level for fatigue crack as shown in the previous works. The crack opening behavior for the size mesh with a linear change shows almost flat stress level after a crack tip has passed by the monotonic plastic zone. The prediction of crack opening level presents a good agreement with published experimental data regardless of stress ratios, which are using the mesh of the elements that are in proportion to the reversed plastic zone size considering the opening stress intensity factors. Numerical interpolation results of finite element analysis can precisely predict the crack opening level. This method shows a good agreement with the experimental data regardless of the stress ratios and kinds of materials.
This paper reports on the elatic-plastic analysis and fracture behavior of cylinder with outer surface crack which is under external or internal pressure. For the studuty of crack length effects in cylinder, ratios of crack lengths to finite thickness (a/t) are dertermined 0.3, 0.4, 0.5. For the study of curvature effects in cylinders, ratios of mean diameter to finite thicknees (Rm/t) are determined 10.0, 15.0, 20.0. Analysis is conduceted using the theory of fracture mechanics and two dimensional finite element solution assuming the axi-symmetrical plane strain conditon. Main results of this study are as follows. 1) It is known from this paper that elastic-plastic strain is initiated near crack tip and enlarged between crack tip and inner side of cylinder. 2) $K_{1}$ of cylinder under external or internal pressure is evaluated memebrane stress .root..pi.* crack length. The results of this study are inclined to Lomacky's results and Kobayshi's result. 3) Distribution of stress near crack tip is looked higher than of other zone, as crack length of equal model is longer, and as diameter of cylinder is longer. 4) When other conditions are equal, displacemenet near crack tip is looked duller, as length is longer.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.31
no.3
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pp.15-22
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2003
The fatigue crack growth model is derived and the retardation model is proposed. The fatigue crack growth model considers the residual plastic stretch on the crack surface which results from the plastic deformation at the tip of fatigue crack. The fatigue crack growth rate is calculated by using the cumulative fatigue damage and plastic strain energy in the material elements at the crack tip. This model gives the crack growth rate in reasonable agreement with test data for aluminum alloy AL6061-T651 and 17-4PH casting steel. The fatigue crack growth retardation model is based on the residual plastic stretch produced from a tensile overload which reduced the plastic strain range of the following load cycles. A strip-yield model of a crack tip plasticity is used for the calculation of a plastic zone size. The proposed retardation model characterized the observed features and delayed retardation of the fatigue crack growth under tensile overload.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.13
no.2
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pp.243-251
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1989
Assuming plastic zones spreading out on each slip plane of the two materials under out-of-plane shear loading, the size of each plastic zone is computed. The effect of the different frictional shear stresses in the two materials on the size of each plastic zone and the relative displacement at the crack tip are investigated. The relation between the J-integral in this model and the relative displacement at the crack tip is also obtained.
Kim, Kyung-Su;Kim, Sung-Cahn;Shin, Chun-Sik;Park, Jin-Young;Lee, Chang-Hwan
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2002.10a
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pp.73-78
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2002
Ships and ocean structures are generally under random loading. Various type of variable-amplitude loading affects fatigue crack growth and fatigue life. However interaction effects due to irregularity of loading including random loading have not explained exactly and it is difficult to examined fatigue crack growth behaviour and fatigue life for this reason. Therefore in this paper crack growth tests with constant-amplitude loading including a single overload were conducted to measure plastic zone size near crack tip of DENT specimen. And the observed plastic zone sized were discussed in terms of crack growth rate. As a result of this the effect the plastic rue size due to the overload is examined on the effect on crack growth rate and, consequently, fatigue life.
For the assessment of the retardation of fatigue crack propagation behavior due to overload, new FE analysis algorithms considering compressive residual stress redistribution near crack tip was proposed in this paper. The size of plastic zone near crack tip was obtained by elasto-plastic analysis and it was compared with Irwin's equation. The amount of residual stress redistribution was assessed by subsequent elasto-plastic analysis, and the difference of residual stress distributions between constant amplitude load and overload was obtained. In the analysis of fatigue crack propagation, the applied SIF range was evaluated by ASTM E647, and the effect of residual stresses on crack propagation was considered using the effective SIF concept. The test results of crack propagations were compared with the predicted data obtained by the analysis.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.16
no.6
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pp.1115-1120
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1992
The apparent negative crack growth phenomenon which usually arises in partial unloading compliance test is well known. The reason for apparent negative crack growth is the compressive residual stress caused by the plastic zone around the crack tip. The phenomenon as a possible source of error in determining $J_{JC}$ or J-R curve from partial unloading compliance experiments may be eliminated by the correction of compliance. A compliance correction equation is derived from a stress field analysis near the crack tip.
The plastic zone formed around a notch tip is important in analyzing the fracture toughness of structures and particularly weld cracks existed in the weld HAZ (heat affected zone) which produces local plastic deformation at the crack tip. Therefore, in order to analyze the fracture toughness in weld HAZ, it is necessary to investigate the new fracture toughness parameter $K_{c}$$^{*}$ and critical plastic strain energy $W_{p}$$^{c}$ according to the shape and size of the plastic zone. 1) If the temperature corresponding to $K_{c}$$^{*}$=130kg-m $m^{-3}$ 2/ is determined, transition temperature $T_{tr}$ the magnitude of plastic zone size, and heat input change depending on the fracture toughness. The blunted amounts of the parent and weld HAZ show mild linear variation until .delta.=0.4mm and then increase very steeply there after. 2) The relation between the plastic strain energy( $W^{p}$ ) and transition temperature( $T_{*}$tr) in parent metal is more sensitive than that of weld HAZ. However, the plastic strain energy depends on the transition temperature, and thus the yield stress, .sigma.$_{ys}$ becomes an important parameter for plastic strain energy. 3) The critical plastic strain energy( $W_{p}$$^{c}$ ) absorbed by the plastic zone at the notch tip indicated in case of parent metal: 60J/mm, in case of heat input(20KJ/cm): 75J/mm, in case of heat input(30KJ/cm); 50J/mmJ/mm.
Proceedings of the Computational Structural Engineering Institute Conference
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1999.04a
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pp.42-49
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1999
Because the linear elastic tincture analysis has been proved to be insufficient in predicting the failure of cracked bodies, in recent years, a number of fracture concepts have been studied which remain applicable in the presence of large-scale plasticity near a crack tip. This work thereby presents a new finite element model, as accurate as possible, to analyze plane problems of ductile fracture under large-scale yielding conditions. Based on the incremental theory of plasticity, the p-version finite element analysis is employed to account for the values of J-integral, the most dominant fracture parameter, and the shape of plastic zone near a crack tip by using the J-integral method and equivalent domain integral method. The numerical results by the proposed model are compared with the theoretical solutions in literatures and the numerical solutions by the i,-version of F.E.M.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.7
no.3
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pp.270-277
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1983
Plastic plane stress solutions are given for a center cracked strip, characterized by the Ramberg-Osgood plastic index, under bi-axial tension. Using a power law hardening stress-strain relation, an incremental plasticity finite element formulation is developed, and simple formulation is given for computing J-integral with nodal displacements. The near tip angular distribution of von Mises effective stress doesn't differ significantly in magnitude according to the change of loading stress and bi-axial load combination factor. But, for smaller plastic index, the location of its maximum value moves vertically at a head of crack. J-integral value, in the plastic zone near crack tip, decreases with load combination factor for large and small plastic index.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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