The crack-tip stress fields and fracture mechanics assessment parameters for a surface crack, such as the elastic stress intensity factor or the elastic-plastic J-integral, can be affected significantly by the adjacent cracks. Such a crack interaction effect due to multiple cracks can alter the fracture mechanics assessment parameters significantly. There are many factors to be considered, for instance the relative distance between adjacent cracks, the crack shape, and the loading condition, to quantify the crack interaction effect on the fracture mechanics assessment parameters. Thus, the current assessment codes on crack interaction effects (crack combination rules), including ASME Sec. XI, BS7910, British Energy R6 and API 579-1/ASME FFS-1, provide different rules for combining multiple surface cracks into a single surface crack. The present paper investigates crack interaction effects by evaluating the elastic stress intensity factor and the elastic-plastic J-integral of adjacent in-plane surface cracks in a plate through detailed 3-dimensional elastic and elastic-plastic finite element analyses. The effects on the fracture mechanics assessment parameters of the geometric parameters, the relative distance between two cracks, and the crack shape are investigated systematically. As for the loading condition, an axial tension is considered. Based on the finite element results, the acceptability of the crack combination rules provided in the existing guidance was investigated, and the relevant recommendations on a crack interaction for in-plane surface cracks are discussed. The present results can be used to develop more concrete guidance on crack interaction effects for crack shape characterization to evaluate the integrity of defective components.
In blood flow passing through the mechanical heart valve (MHV) and elastic blood vessel, hemolysis and platelet activation causing thrombus formation can be seen owing to the shear stress in the blood. Also, fracture and deformation of leaflets can be observed depending on the shape and material properties of the leaflets which is opened and closed in a cycle. Hence, comprehensive study is needed on the hemodynamics which is associated with the motion of leaflet and elastic blood vessel in terms of fluid-structure interaction. In this paper, a numerical analysis has been performed for a three-dimensional pulsatile blood flow associated with the elastic blood vessel and curved bileaflet for multiple cycles in light of fluid-structure interaction. From this analysis fluttering phenomenon and rebound of the leaflet have been observed and recirculation and regurgitation have been found in the flow fields of the blood. Also, the pressure distribution and the radial displacement of the elastic blood vessel have been obtained. The motion of the leaflet and flow fields of the blood have shown similar tendency compared with the previous experiments carried out in other studies. The present study can contribute to the design methodology for the curved bileaflet mechanical heart valve. Furthermore, the proposed fluid-structure interaction method will be effectively used in various fields where the interaction between fluid flow and structure are involved.
A numerical simultaneous solution involving a linear elastic model was applied to study the fluid-structure interaction (FSI) of membrane structures under wind actions, i.e., formulating the fluid-structure system with a single equation system and solving it simultaneously. The linear elastic model was applied to managing the data transfer at the fluid and structure interface. The monolithic equation of the FSI system was formulated by means of variational forms of equations for the fluid, structure and linear elastic model, and was solved by the Newton-Raphson method. Computation procedures of the proposed simultaneous solution are presented. It was applied to computation of flow around an elastic cylinder and a typical FSI problem to verify the validity and accuracy of the method. Then fluid-structure interaction analyses of a saddle membrane structure under wind actions for three typical cases were performed with the method. Wind pressure, wind-induced responses, displacement power spectra, aerodynamic damping and added mass of the membrane structure were computed and analyzed.
A preconditioning technique is presented for a simultaneous solution to wind-membrane interaction. In the simultaneous equations, a linear elastic model was employed to deal with the fluid-structure data transfer at the interface. A Lagrange multiplier was introduced to impose the specified boundary conditions at the interface and strongly coupled simultaneous equations are derived after space and time discretization. An initial linear elastic model preconditioner and modified one were derived by treating the linearized elastic model equation as a saddle point problem, respectively. Accordingly, initial and modified fluid-structure interaction (FSI) preconditioner for the simultaneous equations were derived based on the initial and modified linear elastic model preconditioners, respectively. Wind-membrane interaction analysis by the proposed preconditioners, for two and three dimensional membranous structures respectively, was performed. Comparison was made between the performance of initial and modified preconditioners by comparing parameters such as iteration numbers, relative residuals and convergence in FSI computation. The results show that the proposed preconditioning technique greatly improves calculation accuracy and efficiency. The priority of the modified FSI preconditioner is verified. The proposed preconditioning technique provides an efficient solution procedure and paves the way for practical application of simultaneous solution for wind-structure interaction computation.
Due to neutron radiation, atomic displacement has a significant effect on material in nuclear reactors. A range of secondary displacement models, including the Kinchin-Pease (K-P), Lindhard, Norgett-Robinson-Torrens (NRT), and athermal recombination-corrected displacement per atom (arc-dpa) have been suggested to calculate the number of displacement per atom (dpa). As neutron elastic interaction is the main cause of displacement damage, the focus of the current study is to calculate the atomic displacement caused by the neutron elastic interaction in order to estimate the exact amount of yield strength in a WWER-1000 reactor pressure vessel. To achieve this purpose, the reactor core is simulated by MCNPX code. In addition, a program is developed to calculate the elastic radiation damage induced by the incident neutron flux (RADIX) based on different models using Fortran programming language. Also, due to non-elastic interaction, the displacement damage is calculated by the HEATR module of the NJOY code. ASME E-693-01 standard, SPECTER, NJOY codes, and other pervious findings have been used to validate RADIX results. The results showed that the RADIX(arc-dpa)/HEATR outputs have appropriate accuracy. The relative error of the calculated dpa resulting from RADIX(arc-dpa)/HEATR is about 8% and 46% less than NJOY code, respectively in the ¼ and ¾ vessel wall.
Resonant frequencies and the associated vibrational modes of multiwall carbon nanotubes are studied in this paper. The analysis is based on a multiple-elastic beam model, considering intertube radial displacements and the related internal degrees of freedom. Especially, van der Waals interaction is modified considering both all interaction between each layers in multi-wall carbon nanotubes and curvature effect. The results show that modified van der Waals interaction could significantly affect the natural frequencies of multi-walled carbon nanotubes. In particular, non-coaxial intertube resonance will be excited at the higher resonant frequencies of multiwall carbon nanotubes.
During bolted flange assembly, the contact stiffness of some areas of the joint surface may be low due to the elastic interaction. In order to improve the contact stiffness at the lowest position of bolted flange, the correlation model between the initial bolt pre-tightening force and the contact stiffness of bolted flange is established in this paper. According to the stress distribution model of a single bolt, an assumption of uniform local contact stiffness of bolted flange is made. Moreover, the joint surface is divided into the compressive stress region and the elastic interaction region. Based on the fractal contact theory, the relationship model of contact stiffness and contact force of the joint surface is proposed. Considering the elastic interaction coefficient method, the correlation model of the initial bolt pre-tightening force and the contact stiffness of bolted flange is established. This model can be employed to reverse determine the tightening strategy of the bolt group according to working conditions. As a result, this provides a new idea for the digital design of tightening strategy of bolt group for contact stiffness of bolted flange. The tightening strategy of the bolted flange is optimized by using the correlation model of initial bolt pre-tightening force and the contact stiffness of bolted flange. After optimization, the average contact stiffness of the joint surface increased by 5%, and the minimum contact stiffness increased by 6%.
In this paper, the wave propagation in a generalized thermo elastic plate embedded in an elastic medium (Winkler model) is studied based on the Lord-Schulman (LS) and Green-Lindsay (GL) generalized two dimensional theory of thermo elasticity. Two displacement potential functions are introduced to uncouple the equations of motion. The frequency equations that include the interaction between the plate and foundation are obtained by the traction free boundary conditions using the Bessel function solutions. The numerical calculations are carried out for the material Zinc and the computed non-dimensional frequency and attenuation coefficient are plotted as the dispersion curves for the plate with thermally insulated and isothermal boundaries. The wave characteristics are found to be more stable and realistic in the presence of thermal relaxation times and the foundation parameter. A comparison of the results for the case with no thermal effects shows well agreement with those by the membrane theory.
A proper physical modeling of infilled building frame-foundation beam-soil mass interaction system is needed to predict more realistic and accurate structural behavior under static vertical loading. This is achieved via finite element method considering the superstructure, foundation and soil mass as a single integral compatible structural unit. The physical modelling is achieved via use of finite element method, which requires the use of variety of isoparametric elements with different degrees of freedom. The unbounded domain of the soil mass has been discretized with coupled finite-infinite elements to achieve computational economy. The nonlinearity of soil mass plays an important role in the redistribution of forces in the superstructure. The nonlinear behaviour of the soil mass is modeled using hyperbolic model. The incremental-iterative nonlinear solution algorithm has been adopted for carrying out the nonlinear elastic interaction analysis of a two-bay two-storey infilled building frame. The frame and the infill have been considered to behave in linear elastic manner, whereas the subsoil in nonlinear elastic manner. In this paper, the computational methodology adopted for nonlinear soil-structure interaction analysis of infilled frame-foundation-soil system has been presented.
Based on a generalized variational principle for magneto-thermo-elasticity, a theoretical model is proposed to describe the coupled magneto-thermo-elastic interaction in soft ferromagnetic plates. Using the linearized theory of magneto-elasticity and perturbation technique, we analyze the magneto-elastic and magneto-thermo- elastic instability of simply supported ferromagnetic plates subjected to thermal and magnetic fields. A nonlinear finite element procedure is developed next to simulate the magneto-thermo-elastic behavior of a finite-size ferromagnetic plates. The effects of thermal and magnetic fields on the magneto-thermo-elastic bending and buckling is investigated in some detail.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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