In this study, a new analytical-numerical procedure is developed to give the stresses and strains around a circular tunnel in rock masses exhibiting different stress-strain behavior. The calculation starts from the tunnel wall and continues toward the unknown elastic-plastic boundary by a finite difference method in the annular discretized plastic zone. From the known stresses in the tunnel boundary, the strains are calculated using the elastic-plastic stiffness matrix in which three dimensional Hoek-Brown failure criterion (Jiang and Zhao 2015) and Mohr-Coulomb potential function with proper dilation angle (i.e., non-associated flow rule) are employed in terms of stress invariants. The illustrative examples give ground response curve and show correctness of the proposed approach. Finally, from the results of a great number of analyses, a simple relationship is presented to find out the closure of circular tunnel in terms of rock mass strength and tunnel depth. It can be valuable for the preliminary decision of tunnel support and for prediction of tunnel problems.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.26
no.7
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pp.1250-1261
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2002
Many research works have validated the J-T approach to elastic-plastic crack-tip stress fields in a variety of plane strain specimens. To generalize the validity of J-T method, further investigations are however needed for more practical 3D structures than the idealized plane strain specimens. In this work, we perform 3D finite element (FE) modeling of welded plate and straight pipe, and accompanying elastic, elastic-plastic FE analyses. Manual 3D modeling is almost prohibitive, since the models contain semi-elliptical interfacial cracks which require singular elements. To overcome this kind of barrier, we develop a program generating the meshes for semi-elliptical interfacial cracks. We then compare the detailed 3D FE stress fields to those predicted with J-T two parameters. Thereby we extend the validity of J-T application to 3D structures and infer some useful informations for the design or assessment of pipe welds.
Eui-Kyun Park;Jun-Won Park;Yun-Jae Kim;Kukhee Lim;Eung-Soo Kim
Nuclear Engineering and Technology
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v.56
no.7
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pp.2859-2874
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2024
This paper presents the finite element deformation and failure simulation of a typical Korean high-power reactor vessel under a severe accident characterized by large break loss of coolant (LBLOCA) with in-vessel retention of molten corium through external reactor vessel cooling (IVR-ERVC) conditions. Temperature distributions calculated using Modular Accident Analysis Program Version 5 (MAAP5) as thermal boundary conditions were used, and ABAQUS thermal and structural analyses were performed. After full ablation, the temperature of the inner surface in the thinnest section remained high (920 ℃), but the stress remained relatively low (less than 6 MPa). At the outer surface, the stress was as high as 250 MPa; however, the resulting plastic strain was small owing to the low temperature of 200 ℃. Variations in stress, inelastic strain, and temperature with time in the thinnest section suggest that the plastic and creep strains are saturated owing to stress relaxation, resulting in low cumulative damage. Thus, the lower head of the vessel can maintain its structural integrity under LBLOCA with IVR-ERVC conditions. The sensitivity analysis of internal pressure indicates the occurrence of failure in the thinnest section at an internal pressure >9.6 MPa via local necking followed by failure due to high stresses.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.32
no.5
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pp.411-418
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2008
In this work, the effect of strength mismatch on plastic limit loads is quantified for similar metal weld plates with cracks under tension load, via three-dimensional, small strain elastic-perfectly plastic finite element analyses. Relevant variables related to plate geometry and crack length are systematically varied, in addition to the weld width. An important finding is that mis-match limit loads can be uniquely quantified through strength mis-match ratio and one geometry-related parameter. Based on the proposed limit load solutions, reference stress based J-integral estimates is also investigated. When the reference stress is defined by the mis-match limit load, predicted J-integral values agree overall well with FE results.
One of the failure modes observed in steel yield energy dissipating devices (SYEDs) excited by a strong earthquake would be the low-cycle fatigue failure. Fatigue cracks of a SYED are prone to initiate at the notch areas where stress concentration is usually occurred, which is demonstrated by the cyclic tests and analyses carried out for this study. Since the fatigue failure of SYEDs dramatically deteriorates their structural capacities, the thorough investigation on their fatigue life is usually required. To do this, sophisticated modeling with considering a time-consuming and complicate fracture mechanism is generally needed. This study makes an effort to investigate the low-cycle fatigue life of SYEDs predicted by a simplified method utilizing damage indices and fatigue prediction equations that are based on the plastic strain amplitudes obtained from typical finite element analyses. This study shows that the low-cycle fatigue failure of SYEDs predicted by the simplified method can be conservatively in good agreement with the test results of SYED specimens prepared for experimental validation.
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society
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v.17
no.4
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pp.718-725
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2016
In this study, the plastic flow curve of commercially pure titanium sheet (CP Ti) actively used in the plate heat exchanger etc., was evaluated. The plastic flow curve known as hardening curve is a key factor needed in conducting finite element analyses (FEA) for the forming process of a sheet material. A hydraulic bulge test was performed on the CP Ti sheet and the strain in this test was measured using the DIC method and ARAMIS system. The measured true stress-true strain curve from the hydraulic bulge test (HBT) was compared with that from the tensile test. The measured true stress-true strain curve from the hydraulic bulge test showed stable plastic flow curve over the strain range of 0.7 which cannot be obtained in the case of the uniaxial tensile test. The measured true stress-true strain curve from the hydraulic bulge test can be fitted well by the hardening equation known as the Kim-Tuan model.
In the current paper, an exact solution method is carried out for analyzing the thermo-mechanical vibration of curved FG nano-beams subjected to uniform thermal environmental conditions, by considering porosity distribution via nonlocal strain gradient beam theory for the first time. Nonlocal strain gradient elasticity theory is adopted to consider the size effects in which the stress for not only the nonlocal stress field but also the strain gradients stress field is considered. It is perceived that during manufacturing of functionally graded materials (FGMs) porosities and micro-voids can be occurred inside the material. Material properties of curved porous FG nanobeam are assumed to be temperature-dependent and are supposed to vary through the thickness direction of beam which modeled via modified power-law rule. Since variation of pores along the thickness direction influences the mechanical and physical properties, porosity play a key role in the mechanical response of curved FG nano-structures. The governing equations and related boundary condition of curved porous FG nanobeam under temperature field are derived via the energy method based on Timoshenko beam theory. An analytical Navier solution procedure is utilized to achieve the natural frequencies of porous FG curved nanobeam supposed to thermal loading. The results for simpler states are confirmed with known data in the literature. The effects of various parameters such as nonlocality parameter, porosity volume fractions, thermal effect, gradient index, opening angle and aspect ratio on the natural frequency of curved FG porous nanobeam are successfully discussed. It is concluded that these parameters play key roles on the dynamic behavior of porous FG curved nanobeam. Presented numerical results can serve as benchmarks for future analyses of curve FG nanobeam with porosity phases.
The failure phenomenon of overlaid concrete structures, such as surface crack and peel-off failure in the contact zone, was investigated due to temperature shock(rainfall). To investigate this failure phenomenon, the surface tensile stress, and the shear stress, the vertical tensile stress in the contact zone were analysed using the non-linear stress-strain relationship of material such as strain-hardening- and strain-softening diagrams. Rainfall intensity, overlay thickness and overlay material were the main variables in the analyses. It is assumed that the initial temperature of overlaid concrete structures was heated up to 55$\^{C}$ by the solar heat. With a rain temperature 10$\^{C}$ and the rainfall intensity of nR=1/a, tR=10min, 60min, the stress states of overlaid concrete structures were calculated. The result shows that only fictitious cracks occurred in the overlay surface and no shear bond failure occurred in the contact zone. The vortical tensile stress increasing with overlay thickness was proved to be the cause of peel-off failure in the contact zone. The formulae for relationship between the vertical tensile stress and overlay thickness, material properties were derived. Using this formulae, it is possible to select proper material and overlay thickness to prevent failure in the contact zone due to temperature shock caused by rainfall.
The renowned Terzaghi's one-dimensional consolidation theory is not applicable to quantification of time-rate settlement for highly deformable soft clays such as dredged soil deposits. To deal with this special condition, a non-linear finite strain consolidation theory should be adopted to predict the settlement of dredged soil deposits including self-weight and surcharge-induced consolidation. It is of importance to determine the zero effective stress void ratio ($e_{00}$), which is the void ratio at effective stress equal to zero, and the relationships of void ratio-effective stress and of void ratio-hydraulic conductivity for characterizing non-linear finite strain consolidation behavior for deformable dredged soil deposits. The zero effective stress void ratio means a transitional status from sedimentation to self-weight consolidation of dredged soils. In this paper, laboratory procedures and equipments are introduced to measure such key parameters in the non-linear finite strain consolidation analysis. In addition, the non-linear finite strain consolidation parameters of the Incheon clay and kaolinite are evaluated with the aid of the proposed methods in this paper, which will be used as input parameters for the non-linear finite strain consolidation analyses being performed in the companion paper.
The total embankment settlement consists of three stages: the initial settlement, the primary consolidation settlement, and the secondary consolidation settlement. The total embankment settlement is largely controlled by the primary consolidation settlement, which is usually computed with numerical models that implement Biot's theory of consolidation. The key parameter that affects the primary consolidation time is the coefficient of permeability. Due to the complex stress and strain states in the foundation soil under the embankment, to be able to predict the consolidation time more precisely, aside from porosity-dependency, the strain-dependency of the coefficient of permeability should be also taken into account in numerical analyses. In this paper, we propose a two-dimensional plane strain numerical model of embankment primary consolidation, which implements Biot's theory of consolidation with both porosity-dependent and strain-dependent coefficient of permeability. We perform several numerical simulations. First, we demonstrate the influence of the strain-dependent coefficient of permeability on the computed results. Next, we validate our numerical model by comparing computed results against in-situ measurements for two road embankments: one near the city of Saga, and the other near the city of Boston. Finally, we give our concluding remarks.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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