Journal of Advanced Marine Engineering and Technology
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v.30
no.4
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pp.494-504
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2006
It is well known that the two-parameter $J-A_2$ solution can well characterize the crack-tip fields and quantify the crack-tip constraint for different flawed geometries in variety of loading conditions. However, this solution fails to do so for bending dominated specimens or geometries at large deformation because of the influence of significant global bending stress on the crack-tip field. To solve this issue, a modified $J-A_2$ solution is developed in this paper by introducing an additional term to address the global bending influence. Using the $J_2$ flow theory of plasticity and within the small-strain framework detailed finite element analyses are carried out for the single edge notched bend (SENB) specimen with a deep crack in A533B steel at different deformation levels ranging from small-scale Yielding to large-scale Yielding conditions. The numerical results of the crack-tip stress field are then compared with those determined from the $J-A_2$ solution and from the modified $J-A_2$ solution at the same level of applied loading Results indicate that the modified $J-A_2$ solution largely improves the $J-A_2$ solution, and match very well with the numerical results in the region of interest at all deformation levels. Therefore, the proposed solution can effectively describe the crack-tip field and the constraint for bending dominated specimens or geometries.
Unidirectional fiber-metal matrix composites have superior mechanical properties along the longitudinal direction. However, the applicability of continuous fiber reinforced MMCs is somewhat limited due to their relatively poor transverse properties. Therefore, the transverse properties of MMCs are significantly influenced by the properties of the fiber/matrix interface. In this study, the interfacial stress states of transversely loaded unidirectional fiber reinforced metal matrix composites investigated by using elastic-plastic finite element analysis. Different fiber volume fractions $(5-60\%)$ were studied numerically. The interface was treated as thin layer (with different properties) with a finite thickness between the fiber and the matrix. The fiber is modeled as transversely isotropic linear-elastic, and the matrix as isotropic elastic-plastic material. The analyses were based on a two-dimensional generalized plane strain model of a cross-section of an unidirectional composite by the ANSYS finite element analysis code.
Park, Sung-Kyu;Han, Jeong-In;Moon, Dae-Gyu;Kim, Won-Keun
Transactions on Electrical and Electronic Materials
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v.3
no.2
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pp.32-37
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2002
This paper gives the basic mechanical properties of indium-tin-oxide (ITO) films on polymer substrates which are exposed to externally and thermally induced bending force. By using modified Storney formula including triple layer structure and bulge test measuring the conductive changes of patterned ITO islands as a function of bending curvature, the mechanical stability of ITO films on polymer substrates was intensively investigated. The numerical analyses and experimental results show thermally and externally induced mechanical stresses in the films are responsible for the difference of thermal expansion between the ITO film and the substrate, and leer substrate material and its thickness, respectively. Therefore, a gradually ramped heating process and an organic buffer layer were employed to improve the mechanical stability, and then, the effects of the buffer layer were also quantified in terms of conductivity-strain variations. As a result, it is uncovered that a buffer layer is also a critical factor determining the magnitude of mechanical stress and the layer with the Young's modulus lower than a specific value can contribute to relieving the mechanical stress of the films.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.30
no.3
s.246
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pp.269-278
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2006
This paper proposes slip line fields for bending of unequally notched specimens in plane strain that have a sharp crack in one side and a sharp V-notch in the other side. Depending on the back angle, two slip line fields are proposed, from which the limit moment and crack tip stress fields are obtained as a function of the back angle. Excellent agreement between slip line field solutions with those from detailed finite element limit analysis based on non-hardening plasticity provides confidence in the proposed slip line fields. One interesting point is that, for the unequally notched specimen, the difference between the crack tip triaxial stress for tension and that for bending increases significantly with increasing the back angle. This suggests that such a specimen could be potentially useful to investigate the crack tip constraint effect on fracture toughness of materials. In this respect, the possibility of designing a new toughness testing specimen with varying crack tip constraint is discussed.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.7
s.178
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pp.1740-1747
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2000
Under repeated rolling, initial plastic deformation introduces residual stresses which render the steady cyclic state purely elastic. This is called the process of shakedown. Many studies have been done about the shakedown in semi-infinite half space using calculated Hertizian pressure. In this paper shakedown processes in a shaft are studied by finite element analyses of a two dimensional(plane strain) model with elastic-linear-kinematic-hardening-plastic material subjected to repeated, frictionless rolling contact. Symmetric and non-symmetric pressure distributions are obtained using a simplified model of the bearing-shaft assembly. The rolling contact is simulated by repeatedly translating both pressure distributions along the surface of the shaft. By the influence of the non-symmetric pressure, larger residual radial tensile stress is generated in the immediate subsurface layer, which may make a crack propagate and, the subsurface undergoes a zigzag plastic deformation during the shakedown process, which may lead to a crack initiation.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.31
no.5
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pp.562-569
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2007
This paper presents plastic limit loads and approximate J estimates for axial through-wall cracked pipe bends under internal pressure and in-plane bending. Geometric variables associated with a crack and pipe bend are systematically varied, and three possible crack locations (intrados, extrados and crown) in pipe bends are considered. Based on small strain finite element limit analyses using elastic-perfectly plastic materials, effect of bend and crack geometries on plastic limit loads for axial through-wall cracked pipe bends under internal pressure and in-plane bending are quantified, and closed-form limit solutions are given. Based on proposed limit load solutions, a J estimation scheme for axial through-wall cracked pipe bends under internal pressure and in-plane bending is proposed based on reference stress approach.
The effect of dead loads on dynamic responses of uniform elastic beams is examined by means of a governing equation which takes into account initial bending stress due to dead loads. First, the governing equation of beams which includes the effect of dead loads is briefly presented from the author's paper (Takabatake 1990). In the formulation the effect of dead loads is considered by strain energy produced by conservative initial stresses produced by the dead loads. Second, the effect of dead loads on dynamical responses produced by live loads in simply supported beams and clamped beams is confirmed by the results of numerical computations with the Galerkin method and Wilson-${\theta}$ method. It is shown that the dynamical responses, like dynamic deflections and bending moments produced by dynamic live loads, are decreased in a heavyweight beam when the effect of dead loads is included. Third, an approximate solution for dynamic deflections including the effect of dead loads is presented in closed-form. The proposed solution shows good in agreement with results of numerical computations with the Galerkin method and Wilson-${\theta}$ method. Finally, a method reflecting the effect of dead loads for dynamic responses of beams on the magnitude of live loads is presented by an example.
The three-dimensional finite element modeling of a composite rotor blade is very hard and requires much computation effort. The efficient method to model a composite beam is necessary for the dynamic and aeroelastic analyses of rotor blades. In this study, the beam modeling method of a composite rotor blade is studied using VABS. The computer program, VABS (Variational Asymptotic Beam Section Analysis), uses the variational asymptotic method to split a 3-D nonlinear elasticity problem into 2-D cross-sectional analysis and 1-D nonlinear beam problem. The VABS can produce the sectional stiffness coefficients of composite rotor blades with various cross section and initial twist/curvatures, and recover the original 3-D distribution of displacement/strain/stress fields. The results of various cross section beams show that VABS gives us the accurate results comparared to commercial codes and does not need much computation effort. It can be concluded that VABS provides the efficient method to establish the FE model of a composite rotor blade.
The theories having been developed thus far account for higher-order variation of transverse shear strain through the depth of the beam and satisfy the stress-free boundary conditions on the top and bottom surfaces of the beam. A shear correction factor, therefore, is not required. In this paper, the effect of surface on the axial buckling and free vibration of nanobeams is studied using various refined higher-order shear deformation beam theories. Furthermore, these theories have strong similarities with Euler-Bernoulli beam theory in aspects such as equations of motion, boundary conditions, and expressions of the resultant stress. The equations of motion and boundary conditions were derived from Hamilton's principle. The resultant system of ordinary differential equations was solved analytically. The effects of the nanobeam length-to-thickness ratio, thickness, and modes on the buckling and free vibration of the nanobeams were also investigated. Finally, it was found that the buckling and free vibration behavior of a nanobeam is size-dependent and that surface effects and surface energy produce significant effects by increasing the ratio of surface area to bulk at nano-scale. The results indicated that surface effects influence the buckling and free vibration performance of nanobeams and that increasing the length-to-thickness increases the buckling and free vibration in various higher-order shear deformation beam theories. This study can assist in measuring the mechanical properties of nanobeams accurately and designing nanobeam-based devices and systems.
Journal of Korean Society of Industrial and Systems Engineering
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v.41
no.4
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pp.213-219
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2018
Mechanical components are to be produced with accurate dimensions in order to function properly in assemblies of a machine. Once designs of mechanical components are created, designers examine the designs by adopting many known experimental methods. A primary test method includes stress and strain evaluation of structural parts. In addition, fatigue test and vibration analysis are an important test method for mechanical components. Real experiments at a laboratory are established when products are manufactured. Since design changes should be done before producing the designs in factories, rapid modifications for new designs are required in production industries. FEM simulation is a proper choice for a design evaluation with speed at a detail stage in design process. This research focuses modeling and mechanical simulation of a mechanical component in order to ensure structural safety. In this paper, a universal joint, being used in driving axels of vehicles, is studied as a target component. A design model is created and tested in some ways by using commercial software of FEM. The designed component is being twisted to transmit heavy power and thus, torsional stress should be under strengths of the component's material. The next is fatigue analysis to convince fatigue cycles to be within the endurance limit of the material. Another test is a vibration analysis for rotational components. This research draws final conclusions from these test analyses and recommends whether the designed model is under safety condition in terms of mechanical structure.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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