PURPOSES : In this study, a fracture-based finite element (FE) model is proposed to evaluate the fracture behavior of fiber-reinforced asphalt (FRA) concrete under various interface conditions. METHODS : A fracture-based FE model was developed to simulate a double-edge notched tension (DENT) test. A cohesive zone model (CZM) and linear viscoelastic model were implemented to model the fracture behavior and viscous behavior of the FRA concrete, respectively. Three models were developed to characterize the behavior of interfacial bonding between the fiber reinforcement and surrounding materials. In the first model, the fracture property of the asphalt concrete was modified to study the effect of fiber reinforcement. In the second model, spring elements were used to simulated the fiber reinforcement. In the third method, bar and spring elements, based on a nonlinear bond-slip model, were used to simulate the fiber reinforcement and interfacial bonding conditions. The performance of the FRA in resisting crack development under various interfacial conditions was evaluated. RESULTS : The elastic modulus of the fibers was not sensitive to the behavior of the FRA in the DENT test before crack initiation. After crack development, the fracture resistance of the FRA was found to have enhanced considerably as the elastic modulus of the fibers increased from 450 MPa to 900 MPa. When the adhesion between the fibers and asphalt concrete was sufficiently high, the fiber reinforcement was effective. It means that the interfacial bonding conditions affect the fracture resistance of the FRA significantly. CONCLUSIONS : The bar/spring element models were more effective in representing the local behavior of the fibers and interfacial bonding than the fracture energy approach. The reinforcement effect is more significant after crack initiation, as the fibers can be pulled out sufficiently. Both the elastic modulus of the fiber reinforcement and the interfacial bonding were significant in controlling crack development in the FRA.
Jo, Dae-Hee;Rhee, Zhang-Kyu;Park, Sung-Oan;Kim, Bong-Gag;Woo, Chang-Ki
Transactions of the Korean Society of Machine Tool Engineers
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v.16
no.2
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pp.14-22
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2007
In this paper, the acoustic emission(AE) behaviors were investigated with single-and 2-spot resistance spot welded SPCC specimens. Test specimens were welded horizontally and/or vertically according to the rolling direction of base netal in 2-spot welding. In the case of 2-spot welding, when tensile-shear test has below amplitudes: crack initiation $50{\sim}60dB;$ tear fracture $40{\sim}50dB$. And when cross tensile test has below amplitudes: early stage $75{\sim}85dB;$ yielding point $65{\sim}75dB;$ post yielding $40{\sim}60dB;$ plug fracture $70{\sim}80dB\;or\;90{\sim}100dB$. Also, from the b-value that is slope of AE amplitude, we knew that there are lots of low amplitudes if b-value is big(i.e., tensile-shear $specimen{\rightarrow}tear$ fracture or shear fracture), and there are lots of high amplitudes if b-value is small(i.e.. cross tensile $specimen{\rightarrow}plug$ fracture). As the results of fiacture mechanism analyses through AE amplitude distributions, change of the b-value represented fracture patterns of materials. Correspondingly, low amplitude signals appeared in crack initiation, and high amplitude signals appeared in base metal fracture. We confirmed that these amplitude distributions represented the change or degradation of materials.
Journal of the Korean Society for Precision Engineering
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v.10
no.3
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pp.152-160
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1993
This paper presents experimental study of the static and dynamic fracture toughness behavior of a A1-6061 aluminum alloy reinforced alumina( .delta. -A1$_{2}$0$_{3}$) whiskers with 5%, 10%, 15% volume fraction. The static fracture tests using three-point bending specimen were performed by UTM25T. And drop weight impact tester performing dynamic fracture tests was used to measure dynamic locads applied to a fatigue-precracked specimes. The oneset of crack initiation was detected uwing a strain gage bonded near a crack tip. The value of static fracture toughness $K_{IC}$ and dynamic fracture toughness $K_{ID}$ were decided on the basis of linear elastic fracture mechanics. The effects of fiber volume fraction and loading on fracture toughness were investigated. The distribution of whiskers, bonding state and fracture interfaces involved in void, fiber pull-out state were investigated by optical microscopy(OM) and scanning electron microscopy(SEM)
It has been well known that ductile fracture of steel is accelerated by triaxiality stresses. The characteristics of ductile crack initiation in steels are evaluate quantitatively using two-parameter criterion based on equivalent plastic strain and stress triaxiality. Recently, the characteristics of critical crack initiation of steels are quantitatively estimated using the two-parameter, that is, equivalent plastic strain and stress triaxiality, criterion. This study is paid to the fundamental clarification of the effect of geometrical heterogeneity and strength mismatching, which can elevate plastic constraint due to heterogeneous plastic straining, and loading rate on critical condition to initiate ductile crack using two-parameter. Then, the crack initiation testing were conducted under static and dynamic loading. To evaluate the stress/strain state in the specimens especially under dynamic loading, thermal elastic-plastic dynamic FE-analysis considering the temperature rise was used. The result showed that the critical global strain to initiate ductile fracture in specimens with strength mismatch under various loading rate cu be estimated based on the local criterion, that is two-parameter criterion obtained on homogeneous specimens under static tension, by mean of FE-analysis taken into account accurately both strength mismatch and dynamic loading effects on stress/strain behavior.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.9
no.5
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pp.564-571
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1985
The estimation of fracture toughness in inhomogeneous material is still insufficient because it is difficult to get information of fracture initiation at the crack tip. Therefore, martensite-ferrite dual phase steel was prepared for a model material and micro-fracture behavior was investigated in the region of pre-fatigue crack in order to understand the characteristic of fracture resistance in inhomogeneous materials. In the case of severely inhomogeneous state, micro-fracture appearance is not distributed homogenously so that the estimation of fracture toughness is hardly possible. On the other hand when the grain size is refined or the strength of martensite is lowered, micro-fracture appearance is distributed homogenously and fracture toughness remarkably increases.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers
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v.14
no.1
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pp.112-118
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1990
Catastrophic fracture cannot be avoided after cracks(initiated from pre-existing defects) propagate rapidly with speeds comparable to a sound wave velocity of the materials. Preventing catastropic failure, crack arrest fracture toughness defined from dynamic(or kinetic) fracture mechanics point of view has been introduced in determining accurate and/or proper crack arrest fracture toughness of a material. For the past decades, many studies have been carried out to render proper theoretical and experimental backgrounds on the use of the static plain strain crack arrest fracture toughness, $K_{1a}$ (which seems to be a material property). $K_{1a}$ has been used to predict the performance of thick walled structures and has been considered as a measure of the ability of a material to stop a fast running crack. Determination of such a material property is of prime importance to the nuclear reactor pressure vessel and bridge materials industries. However, standards procedures for measuring toughness associated with fast running cracks are yet to exist. This study intends to give insight on the determination of the crack arrest fracture toughness of materials such as polymethylmethacrylate(PMMA), SM45C-steel, and A1 7075-T6. The effects of crack jump lengths and fast crack initiation stress intensity factor on the determination of $K_{1a}$ have been experimentally observed.erved.
Sun Dong-Ju;Park Myung-kyun;Bahk Sae-Man;Choi Young-Taek
Journal of the Korean Institute of Gas
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v.1
no.1
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pp.95-100
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1997
In order to predict the elastic-plastic fracture toughness for metallic materials, Finite Element Method(FEM) was used for analysis of compact tension specimen. ASTM E399 test procedure was adopted for simulation of FEM. The Load-Crack Mouth Opening Displacement curve obtained from this analysis was used to detect the crack initiation point and determine the elastic-plastic fracture toughness $J_{IC}$. In order to prove the results, they were compared with the results from previous experiments and they agree with experimental results.
Proceedings of the Korea Committee for Ocean Resources and Engineering Conference
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2004.11a
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pp.242-246
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2004
Effects of circumferentially local wall thinning on the fracture behavior of pipes were investigated by monotonic four-point bending. Local wall thinning was machined on the pipes in order to simulate erosion/corrosion metal loss. The configurations of the eroded area included an eroded ratio of d/t= 0.2, 0.5, 0.6, and 0.8, and an eroded length of I = 10 mm, 25 mm, and 120 mm. Fracture type could be classified into ovalization, local buckling, and crack initiation depending on the eroded length and eroded ratio. Three-dimensional elasto-plastic analyses were also carried out using the finite element method, which is able to accurately simulate fracture behaviors excepting failure due to cracking. It was possible to predict the crack initiation point by estimating true fracture ductility under multi-axial stress conditions at the center of the eroded area.
Research on interfacial crack formation in orthotropic bi-materials has experienced a notable increase in recent years, driven by growing concerns about structural integrity and reliability. The existence of a crack at the interface of bi-materials has a substantial impact on mechanical strength and can ultimately lead to fracture. The primary objective of this article is to introduce a comprehensive analytical model and establish stress relationships for investigating interfacial crack between two non-identical orthotropic materials with desired crack-fiber angles. In this paper, we present the application of the Interfacial Maximum Tangential Stress (IMTS) criterion, in combination with the Reinforcement Isotropic Solid (RIS) model, to investigate the behavior of interfacial cracks in orthotropic bi-materials under mixed-mode I/II loading conditions. We analytically characterize the stress state at the interfacial crack tip using both Stress Intensity Factors (SIFs) and the T-stress term. Orthotropic materials, due to their anisotropic nature, can exhibit complex crack tip stress fields, making it challenging to predict crack initiation behavior. The secondary objective of this study is to employ the IMTS criterion to predict the crack initiation angle and explore the notable impact of the T-stress term on fracture behavior. Furthermore, we validate the effectiveness of our approach in evaluating Fracture Limit Curves (FLCs) for interfacial cracks in orthotropic bi-materials by comparing our FLCs with relevant experimental data from existing literature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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