Jo, Yeon-Je;Jang, Yun-Seok;Seok, Chang-Seong;Kim, Yeong-Jin
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.20
no.2
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pp.529-539
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1996
Fracture resistance(J-R) curves, which are used for elastic-plastic fracture mechanics analyses, are known to be dependent on the specimen geometry. The objective of this paper is to investigate the effect of crack tip constraint an the J-R curves in CT specimens. Fracture toughness tests on CT specimens with varying planform size were performed and test results showed that the J-R curves were increased with an increase in the planform size. Finite element analysis were also performed and the numerical results showed that this experimental phenomenon was probably due to the relaxation of crack tip constraint resulting from the stress triaxiality.
This paper presents an investigation on seismic behavior of out-of-code Q690 circular high-strength concrete-filled thin-walled steel tubular (HCFTST) columns made up of high-strength (HS) steel tubes (yield strength $f_y{\geq}690MPa$). Eight Q690 circular HCFTST columns with various diameter-to-thickness (D/t) ratios, concrete cylinder compressive strengths ($f_c$) and axial compression ratios (n) were tested under the constant axial loading and reversed cyclic lateral loading. The obtained lateral load-displacement hysteretic curves, energy dissipation, skeleton curves and ductility, and stiffness degradation were analyzed in detail to reflect the influences of tested parameters. Subsequently, a simplified shear strength model was derived and validated by the test results. Finally, a finite element analysis (FEA) model incorporating a stress triaxiality dependent fracture criterion was established to simulate the seismic behavior. The systematic investigation indicates the following: compared to the D/t ratio and axial compression ratio, improving the concrete compressive strength (e.g., the HS thin-walled steel tube filled with HS concrete) had a slight influence on the ductility but an obvious enhancement of energy dissipation and peak load; the simplified shear strength model based on truss mechanism accurately predicted the shear-resisting capacity; and the established FEA model incorporating steel fracture criterion simulated well the seismic behavior (e.g., hysteretic curve, local buckling and fracture), which can be applied to the seismic analysis and design of Q690 circular HCFTST columns.
Accidental events such as collisions, groundings, and hydrocarbon explosions in marine structures can cause catastrophic damage. Thus, it is extremely important to predict the extent of such damage, which determines the total amount of oil spills and the residual hull girder strength. Punching fracture tests were conducted by Choung (2009b), where various sizes of indenters and circular unstiffened steel plates with different thicknesses were used to quasi-statically realize damage extents. A three-dimensional fracture strain surface was developed based on a reference (Choung et al., 2015b), where the average stress triaxiality and average normalized Lode angle were used as the parameters governing the fracture of ductile steels. In this study, new numerical analyses were performed using very fine axisymmetric elements in combination with an Abaqus user-subroutine to implement the three-dimensional fracture strain surface. Conventional numerical analyses were also conducted for the tests to identify the best fit fracture strain values by changing the fracture strains. Based on the phenomenon of the average normalized Lode angle starting out positive and then becoming slightly negative, it was inferred that the shear stress primarily dominates in determining the fractures locations, with a partial contribution from the compressive stress. It should be stated that the three-dimensional fracture surface effectively predicted at least the shear stress-dominant fracture behavior of a mild steel.
Park, Sung-Ju;Lee, Kangsu;Cerik, Burak Can;Choung, Joonmo
Journal of Ocean Engineering and Technology
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v.33
no.3
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pp.259-271
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2019
It is important to obtain reasonable predictions of the extent of the damage during maritime accidents such as ship collisions and groundings. Many fracture models based on different mechanical backgrounds have been proposed and can be used to estimate the extent of damage involving ductile fracture. The goal of this study was to compare the damage extents provided by some selected fracture models. Instead of performing a new series of material constant calibration tests, the fracture test results for the ship building steel EH36 obtained by Park et al. (2019) were used which included specimens with different geometries such as central hole, pure shear, and notched tensile specimens. The test results were compared with seven ductile fracture surfaces: Johnson-Cook, Cockcroft-Latham-Oh, Bai-Wierzbicki, Modified Mohr-Coulomb, Lou-Huh, Maximum shear stress, and Hosford-Coulomb. The linear damage accumulation law was applied to consider the effect of the loading path on each fracture surface. The Swift-Voce combined constitutive model was used to accurately define the flow stress in a large strain region. The reliability of these simulations was verified by the good agreement between the axial tension force elongation relations captured from the tests and simulations without fracture assignment. The material constants corresponding to each fracture surface were calibrated using an optimization technique with the minimized object function of the residual sum of errors between the simulated and predicted stress triaxiality and load angle parameter values to fracture initiation. The reliabilities of the calibrated material constants of B-W, MMC, L-H, and HC were the best, whereas there was a high residual sum of errors in the case of the MMS, C-L-O, and J-C models. The most accurate fracture predictions for the fracture specimens were made by the B-W, MMC, L-H, and HC models.
The past recent years have seen an increasing use of high-strength steel sheets in the automotive industry. However, the formability and damage prediction of these materials requires accurate acquisition of necking and fracture strains. Digital image correlation (DIC) is used to accurately capture the necking and fracture strains during testing. The fact that single time points of capturing vary with frame rate makes the need for an investigation necessary. For the high-strength steel DP980, the frame-rate dependences of the final necking and fracture strains values are analyzed here. To eliminate the influence of gauge length, the strains were measured locally by DIC. Results for three specimen shapes obtained with frame rates of 1 and 900 fps (frames per second) were considered and based on them, triaxiality failure diagrams (TFD) are established. It was observed that after diffuse necking, the deformation path departed from the initially linear one, and the stress triaxiality grew with ongoing deformation. It was further revealed that the frame rate-dependence of the necking strain was rather low (< 2%), whereas the fracture strain could be underestimated by up to 8% when the lower frame rate of 1 fps was used (compared with 900 fps). In this study, this issue is investigated while taking into consideration the three different triaxialities. These results demonstrate the importance of choosing an appropriate frame rate for the determination of necking and fracture strains in particular.
An experimental method to measure Q-parameter in-situ is described. The basic idea comes from the fact that the side necking near a crack tip indicates the loss of stress triaxiality, which can be scaled by Q. From the out-of-plane displacement and the in-plane strain near the surface of side necking, stress field averaged through the thickness is calculated and then Q is determined from the difference between the stress field and the HRR field corresponding to the identical J-integral. To prove the validity, three-dimensional finite element analysis has been performed for a CT configuration with side-groove. Q-value which was calculated directly from the near-tip stress field is compared with that determined by simulating the experimental procedure according to the proposed method, that is, the Q-value determined from the lateral displacement and the inplane strain. Also, the effect of location where the displacement and strain are measured is explored.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.24
no.6
s.177
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pp.1456-1469
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2000
Mechanical behaviors of uniaxially fiber-reinforced metal matrix composites under transverse loading conditions were studied at room and elevated temperatures. A mono-filament composite was selecte d as a representative analysis model with perfectly bonded fiber/matrix interface assumption. The elastic-plastic and visco-plastic models were investigated by both theoretical and numerical methods. The product of triaxiality factor and effective strain as well as stress components and strain energy was obtained as a function of location to estimate the failure sites in fiber-reinforced metal matrix composite. Results showed that fiber/ matrix interfacial debond plays a key role for local failure at the room temperature, while void creation and growth in addition to the interfacial debond are major concerns at the elevated temperature. It was also shown that there would be an optimal diameter of fiber for the strong fiber-reinforced metal matrix composite.
It has been well hewn that ductile fracture of steels is accelerated by triaxial stresses. The characteristics of ductile crack initiation in steels are evaluated quantitatively using a two-parameters criterion based on equivalent plastic strain and stress triaxiality. The present study focuses on the effects of strength mismatch, which can elevate plastic constraint due to heterogeneous plastic straining, on the critical condition for ductile fracture initiation usinga two-parameter criterion. Fracture initiation testing has been conducted under static loading using notched round bar specimens which had different notch locations. This study provides the fundamental clarification of the effect of strength mismatching and effect of notch location on the critical condition to ductile crack initiation from notch root using fuite element method and ultrasonic-mechatronics system. The critical condition of ductile crack initiation from notch root of strength mismatched tensile specimens under static loading appeared to be almost the same as those of homogeneous tensile specimens with circumferential sharp notch specimen. Also, the effect of notch location in mismatched specimens was estimated using finite element(FE) analyses.
Journal of the korean Society of Automotive Engineers
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v.12
no.2
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pp.43-50
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1990
The fatigue growth behavior of surface cracks cannot be adequately predicted solely by stress intensity factor analysis. This is caused by different plastic deformation due to variations in the stress field triaxiality along the crack tip. Therefore, a new model which accounts for the crack closure phenomenon is proposed in this paper to predict the fatigue crack growth patterns for surface cracks. Fatigue tests were performed to develop the new model for the prediction and to assess the accuracy of the analysis. The predicted crack growth behavior for PMMA and Aluminum alloy 7075-T6 materials agreed well with the experimental data.
This paper treats the failure analysis of prestressing steel wires with different kinds of localised damage in the form of a surface defect (crack or notch) or as a mechanical action (transverse loads). From the microscopical point of view, the micromechanisms of fracture are shear dimples (associated with localised plasticity) in the case of the transverse loads and cleavage-like (related to a weakest-link fracture micromechanism) in the case of cracked wires. In the notched geometries the microscopic modes of fracture range from the ductile micro-void coalescence to the brittle cleavage, depending on the stress triaxiality in the vicinity of the notch tip. From the macroscopical point of view, fracture criteria are proposed as design criteria in damage tolerance analyses. The transverse load situation is solved by using an upper bound theorem of limit analysis in plasticity. The case of the cracked wire may be treated using fracture criteria in the framework of linear elastic fracture mechanics on the basis of a previous finite element computation of the stress intensity factor in the cracked cylinder. Notched geometries require the use of elastic-plastic fracture mechanics and numerical analysis of the stress-strain state at the failure situation. A fracture criterion is formulated on the basis of the critical value of the effective or equivalent stress in the Von Mises sense.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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