Cold expansion is an efficient way to improve the fatigue life of an open hole. In this paper, three finite element models have been established to bind the crack growth from an expanded hole and simulated. Expansion and its degree influence are studied using a numerical analysis. Stress intensity factors are determined and used to evaluate the fatigue life. Residual stress field is evaluated using a nonlinear analysis and superposed with the applied stresses field in order to estimate fatigue crack growth. Experimental tests are conducted under constant loading. Results of this investigation indicate expansion and its degree are beneficial to fatigue life and a good agreement was observed between FEM simulations and experimental results.
An elastic-plastic solution for cavity expansion problem considering strength degradation, undrained condition and initial anisotropic in-situ stress is established based on the Tresca yield criterion and cavity expansion theory. Assumptions of large-strain for plastic region and small-strain for elastic region are adopted, respectively. The initial in-situ stress state of natural soil mass may be anisotropic caused by consolidation history, and the strength degradation of soil mass is caused by structural damage of soil mass in the process of loading analysis (cavity expansion process). Finally, the published solutions are conducted to verify the suitability of this elastic-plastic solution, and the parametric studies are investigated in order to the significance of this study for in-situ soil test.
Recently we formulated a 2D hybrid stress element from the 3D Hellinger-Reissner principle for the analysis of thick bodies that are symmetric to the thickness direction. Polynomials have typically been used for all the displacement and stress fields. Although the element predicted the dominant stress and all displacement fields accurately, its prediction of the out-of-plane shear stresses was affected by the very high order terms used in the polynomials. This paper describes an improved formulation of the 2D element using Fourier series expansion for the out-of-plane displacement and stress fields. Numerical results illustrate that its predictions have markedly improved.
A rigorous and generic similarity solution is developed for assessment of the undrained expansion responses of a cylindrical cavity expansion in K0-consolidated anisotropic soils. A K0-consolidated anisotropic modified Cam-clay (K0-AMCC) model that can represent the initial stress anisotropy and the effects of stress-induced anisotropy is used to model the soil behaviors during cavity expansion. All the seven basic unknowns, the three stress components, the pore water pressure, the particle velocity, the specific volume and the hardening parameter, are reduced to the functions of a dimensionless radial coordinate and are taken as coupled variables to formulate the problem. The governing equations are formulated by making use of the equilibrium equation, the constitutive equation, the consistency condition, the continuity condition and the undrained condition, which are then solved as an initial value problem. The proposed rigorous similarity solution is compared with some well-documented rigorous solutions to validate the solution and to highlight the special expansion responses in anisotropic soils. The results reveal that the present solution can yield more predictions for cavity expansion problems in soils with initial anisotropic stresses.
The steam generator tubes of nuclear power plants have various types of corrosion failures during the plant operation. The stress corrosion cracking which occurs on the outer surface of tube is called the secondary side stress corrosion cracking and mainly occurs in the expansion-transition area of tube. The causes are the concentration of impurities by the sludge pile-up related to the geometry of its region and the residual stress by tube expansion in the process of steam generator manufacturing. Especially the directionality and sizes of residual stresses are differed according to the tube expansion methods and the direction and the frequency of tube cracks depend on their characteristics. In bases on the plant experiences, it is notified that circumferential cracks of tubes expanded with explosive expansion method are dominantly occurred compared to those of tubes done with hydraulic expansion one. Therefore in this study, according to tube expansion methods frequencies and sizes of tube cracks with specific direction are compared by means of accelerated immersion test and also the crack morphology and the specific chemicals from water-chemistry environment are observed through the fracture surface examination.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.23
no.5
s.182
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pp.149-154
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2006
The cold expansion method (CEM) is one of the widely used a method to improve the fatigue behavior of materials in aerospace industry. Such improvement is due to the compressive residual stress developed when a tapered mandrel goes through the fastener holes a little smaller than the mandrel. CEM is retarded of crack initiation due to the compressive residual stress developed on the hole surface. Many researchers are studied a finite element analysis of residual stress around fastener hole. But in case of real model, fastener hole has a clamping force after CE. Therefore, it is respected that residual stress distributions should be changed due to clamping forces. In this paper, it was performed finite element analysis of residual stress by clamping force after CE in the plate having adjacent holes. From this study, it has been found that compressive residual stress near the hole increases according to clamping force. Also, the more increase clamping force, the more increases compressive residual stress. However, tensile residual stress increase beyond clamping force area.
This study presents an elasto-plastic (EP) solution for drained cavity expansion on the basis of unified strength failure criterion and considers the influence of initial stress state. Because of the influence of initial consolidation of soil mass, the initial stress may be anisotropic in the natural soil mass. In addition, the undrained hypothesis is usually used in the calculation of cavity expansion problem, but most of the cases are in the drained situation in practical engineering. Eventually, the published solution and the presented solution are compared to verify the suitability of the study.
A novel theoretical solution is presented for created (zero initial radius) cavity expansion problem based on CamClay model and considers the effect of initial anisotropic in-situ stress and drained conditions. Here the strain of this theoretical solution is small deformation in elastic region and large deformation in plastic region. The works for cylindrical and spherical cavities expanding in drained condition from zero initial radius are investigated. Most of the conventional solutions were based on the isotropic and undrained condition, however, the initial stress state of natural soil mass is anisotropy by soil deposition history, and drained cavity expansion calculation is closer to actual engineering in permeable soil mass. Finally, the parametric study is presented in order to the engineering significance of this work.
Journal of Korean Society of Environmental Engineers
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v.39
no.12
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pp.733-740
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2017
'The facilities standards of water supply' issued by the Ministry of Environment in 2004 indicates that expansion joints cannot be used in welding water supply steel pipes. However, their reason is not clear and it is difficult to confirm the stability of the steel pipe for a water supply pipeline. The purpose of this study is to determine whether or not an expansion joint is necessary to improve the stability of water supply in steel pipe through a displacement analysis of the pipework. The test results are as follows. Firstly, it was found that expansion and contraction of the water supply steel pipe (D 2,400 mm) occur repeatedly in 4 cycles per year, and the maximum expansion and contraction amount of the pipe is 13.03 mm in 1.24 km pipelines. Secondly, the thermal stress caused by expansion and contraction of the steel pipe is $13.7{\sim}36.1kgf/cm^2$ according to the burial depth (0~4 m). The main comparison factors to determine the stability of the steel pipe (STWW 400) were the allowable tensile strength and the fatigue limit, which were computed to be $4,100kgf/cm^2$ and $1,840kgf/cm^2$, respectively. Finally, the thermal stress of the steel pipe is very small compared to the allowable tensile stress and fatigue stress. Therefore, thermal stress does not affect the stability of the steel pipe, although the expansion and contraction of the steel pipe occurs by temperature changes. In conclusion, the study demonstrated that expansion joints are not required in water supply steel pipelines.
Kim, Cheol;Yang, Won-Ho;Heo, Seong-Pil;Jeong, Gi-Hyeon
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.30
no.2
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pp.46-51
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2002
Cold expansion of fastener holes is a mechanical process widely used in the aerospace industry. This treatment leads to an improvement of fatigue behavior due to the developed compressive residual stresses on the hole surface. The residual stress profile depends on the parameters of cold expansion, which are expanding rate, inserting direction of mandrel, material properties dtc. Despite its importance to aerospace industiries, little attention has been devoted to the accurate modeling of the process. In this paper, three-dimensional finite element simulations have been conducted for the cold expansion in an aluminium plate in order to predict the magnitude and distribution of the residual stress. To prove the results of FE analysis, the residual strain was measured by strain gage in cold expansion test. Maximum compressive residual stress could be increase about 7 percentage using the 2-step cold expansion method.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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