The composite blades of offshore wind turbines accumulate structural damage such as fatigue cracking due to harsh operation environments during their service time, leading to premature structural failures. This paper investigates various fatigue crack models for reproducing crack development in composite blades and proposes a stochastic approach to predict fatigue crack evolution and to analyse failure probability for the composite blades. Three typical fatigue models for the propagation of fatigue cracks, i.e., Miner model, Paris model and Reifsnider model, are discussed to reproduce the fatigue crack evolution in composite blades subjected to cyclical loadings. The lifetime probability of fatigue failure of the composite blades is estimated by stochastic deterioration modelling such as gamma process. Based on time-dependent reliability analysis and lifecycle cost analysis, an optimised maintenance policy is determined to make the optimal decision for the composite blades during the service time. A numerical example is employed to investigate the effectiveness of predicting fatigue crack growth, estimating the probability of fatigue failure and evaluating an optimal maintenance policy. The results from the numerical study show that the stochastic gamma process together with the proper fatigue models can provide a useful tool for remaining useful life predictions and optimum maintenance strategies of the composite blades of offshore wind turbines.
In this paper, a modified rigid body spring model (RBSM) is proposed and used to analyze the damage and failure process of reinforced concrete (RC) structures. In the proposed model, the concrete is represented by an assembly of rigid blocks connected with a uniform distribution of normal and tangential springs to simulate the macroscopic mechanical behavior of concrete. Steel bars are evenly dispersed into rigid blocks as a kind of homogeneous axial material, and an additional uniform distribution of axial and dowel springs is defined to consider the axial stiffness and dowel action of steel bars. Perfect bond between the concrete and steel bars is assumed, and tension stiffening effect of steel bars is modeled by adjusting the constitutive relationship for the tensile reinforcement. Adjacent blocks are allowed to separate at the contact interface, which makes it convenient and easy to simulate the cracking process of concrete. The failure of the springs is determined by the Mohr-Coulomb type criterion with the tension and compression caps. The effectiveness of the proposed method is confirmed by elastic analyses of a cantilever beam under different loading conditions and failure analyses of a RC beam under two-point loading.
Boiler is one of the most important utilities providing steam to turbine in order to supply mechanical energy in thermal power plant. It is composed of thousands of tubes for high efficient heat transfer. The material for boiler tubes is used in such high temperature and pressure condition as $540^{\circ}C$, 22MPa. The boiler tube material is required to resist creep damage, fatigue cracking, and corrosion damages. 2.25%Cr-1Mo steel is used for conventional boiler tubes, and austenitenite stainless steel is used for higher temperature boiler tubes. But the temperature and pressure of steam in power plant became higher for high plant efficiency. So, the property of boiler tube material must be upgaded to fit the plant property. Several boiler tube material was developed to fit such conditions. X20CrMoV12.1 steel is also developed in 1980's and used for superheater and reheater tubes in supercritical boilers. The material has martensite microstructures which is difficult to evaluate the degradation. In this thesis, degrade the X20CrMoV12.1 steel at high temperatures in electric furnace, and evaluate hardness with Vickers hardness tester and strengths with Indentation tester.
Al-brass is the raw material of mnufacturing tubes for heat exchanger of vessel where seawater is used to coolant because it has high level of heat coductivity and excellent mechanical properties and high level of corrosion resistance due to cuprous oxide($Cu_2O$) layer against seawater. However, damage of Al-brass tubes for heat exchanger of vessel is reported that local corrosion such as stress corrosion cracking occurred by synergism effect between mechanical factor and corrosion environment. In this study, to investigate on the effect of stress on the polarization characteristics of Al-brass. At the stress of 0% and 95% yield strength by constant displacement tester, in 3.5% NaCl + 0.1% $NH_4OH$ solution, the polarization tests were carried out. And thus open circuit potential, corrosion current density, anodic polarization, cyclic polarization and dezincification behavior of Al-brass are investigated.
Steam generator tubes are degraded from wear, stress corrosion cracking, rupture and fatigue and so on. Therefore, the failure assessment of steam generator tube is very important for the integrity of energy plants. In the steam generator tubes, sometimes, the local wall thinning may result from severe degradations such as erosion-corrosion damage and wear due to vibration. In this paper, the elasto-plastic analysis was performed by FE code ANSYS on steam generator tubes with wall thinning. Also, the four-point bending tests were performed on the wall thinned specimens, and then it was compared with the analysis results. We evaluated the failure mode, fracture strength and fracture behavior from the experiment and FE analysis. Also, it was possible to predict the crack initiation point by estimating true fracture ductility under multi-axial stress conditions at the center of the thinned area from FE analysis.
The behavior of beam-column joints in moment resisting frame structures is susceptible to damage caused by seismic effects due to poor performance of the joints. A good number of researches were carried out to understand the complex mechanism of RC joints considered in current seismic design codes. The traditional construction detailing of transverse reinforcement has resulted in serious joint failures during earthquakes. This paper introduces a new design philosophy involving the use of additional diagonal bars within the joint particularly suitable for low to medium seismic effects in earthquake zones. In this study, ten full-scale interior beam-column specimens were constructed with various additional reinforcement details and configurations. The results of the experiment showed that adding additional bars is a promising approach in reinforced concrete structures where earthquakes are eminent. In terms of overall cracking observation during the test, the specimens with additional bars (diagonal and straight) compared with the ones without them showed fewer cracks in the column. Furthermore, concrete confinement is certainly an important design measure as recommended by most international codes.
일반적으로 철근콘크리트 건축물은 외부의 기후에 노출되어 있어 겨울에서 이른 봄까지 동결과 융해의 반복적인 작용에 영향을 받는다. 이러한 동결융해 작용은 콘크리트의 균열을 발생시키거나 콘크리트 표면의 박리를 일으켜 내구성 저하의 원인이 된다$^{1),2)}$. 본 연구에서는 철근콘크리트보의 동결융해 경험에 따른 반복하중 하에서의 이력 특성의 평가를 위해 동결융해 사이클을 변수로 하여 철근콘크리트보의 반복하중 가력시 거동을 비교하고자 6개의 시험체를 제작, 실험하였다. 실험결과를 통해 동결 융해에 노출되어있는 철근콘크리트보의 반복하중하의 이력특성을 평가하는데 기초적인 자료를 제시하고자 하였다.
Ultrasonic machining (USM) has been considered a new, cutting-edge technology that presents no heating or electrochemical effects, with low surface damage and small residual stresses on brittle workpieces. However, nowadays, many researchers are paying careful attention to the disadvantages of USM, such as low productivity and tool wear. On the other hand, in this study, a high-performance rotary ultrasonic drilling (RUD) spindle is designed and assembled. In this system, the core technology is the design of an ultrasonic vibration horn for the spindle using finite element analysis (FEA). The maximum spindle speed of RUM is 9,600 rpm, and the highest harmonic displacement is $5.4{\mu}m$ noted at the frequency of 40 kHz. Through various drilling experiments on glass workpieces using a CVD diamond-coated drill, the cutting force and cracking of the hole entrance and exit side in the glass have been greatly reduced by this system.
As the lifetime of nuclear power plants (NPPs) reaches design life, the probability for fatal accidents increases. Most of accidents are known to be caused by degradation of mechanical components. Pressure tubes are the most important components in CANDU reactor. They are subjected to various aging mechanisms such as delayed hydride cracking (DHC), irradiation and corrosion, etc. Therefore, the integrity of pressure tube is key concern in CANDU reactor. Up to recently, conventional deterministic approaches have been utilized to evaluate the integrity of components. However, there are many uncertainties to prevent a rational evaluation. The objective of this paper is to assess the failure probability of pressure tube in CANDU. To do this, probability fracture mechanics (PFM) analysis based on the Genetic Algorithm (GA) is performed. For the verification of the analysis, a comparison of the PFM analysis using a commercial code and mathematical method is carried out.
Steel-concrete composite structure is widely applied to bridge engineering due to their outstanding mechanical properties and economic benefit. This paper studied a new type of steel-concrete composite anchorage system for a self-anchored suspension bridge and focused on the mechanical behavior and force transferring mechanism. A model with a scale of 1/2.5 was prepared and tested in ten loading cases in the laboratory, and their detailed stress distributions were measured. Meanwhile, a three-dimensional finite element model was established to understand the stress distributions and validated against the experimental measurement data. From the results of this study, a complicated stress distribution of the steel anchorage box with low stress level was observed. In addition, no damage and cracking was observed at the concrete surrounding this steel box. It can be concluded that the composite effect between the concrete surrounding the steel anchorage box and this steel box can be successfully developed. Consequently, the steel-concrete composite anchorage system illustrated an excellent mechanical response and high reliability.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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