Экспериментальное и конечно-элементное определение коэффициентов многопараметрического асимптотического разложения М. Уильямса у вершины трещины в линейно-упругом изотропном материале. Часть I
Автор: Степанова Л.В.
Статья в выпуске: 4, 2020 года.
Бесплатный доступ
С помощью метода цифровой фотоупругости вычислены коэффициенты многопараметрического асимптотического разложения М. Уильямса поля напряжений у вершины трещины в пластине с центральной трещиной в поле одноосного растяжения и в полудиске с вертикальным надрезом для испытаний на трехточечный изгиб. В асимптотическом разложении М. Уильямса удержаны высшие приближения, что позволяет: 1) дать более точную оценку компонент тензоров напряжений, деформаций и вектора перемещений; 2) расширить область, в которой работает асимптотическое представление М. Уильямса. С помощью современного приложения, разработанного специально для интерпретации экспериментальной информации, получаемой с помощью метода фотоупругости, осуществлена цифровая обработка экспериментальных данных: автоматически определены точки с минимальной освещенностью, принадлежащие изохроматическим полосам различных порядков. Найденные координаты точек, принадлежащие изохроматическим полосам разных порядков, используются для вычисления параметров разрушения (коэффициентов интенсивности напряжений, Т-напряжений и коэффициентов высших приближений). Для вычисления коэффициентов разложения М. Уильямса применена итерационная процедура переопределенного метода, основанного на последовательном уточнении коэффициентов разложения. Для пластины с центральным разрезом и полудиска с вертикальным надрезом определены первые пятнадцать коэффициентов разложения М. Уильямса. Экспериментально найденные коэффициенты были использованы для реконструкции поля изохроматических полос у вершины трещины. Показано, что теоретически реконструированное поле изохроматических полос у вершины трещины соответствует картине полос, наблюдаемой в эксперименте. Разработанный алгоритм позволяет найти коэффициенты асимптотического разложения с высокой точностью, включая коэффициенты высших приближений.
Цифровая фотоупругость, поле напряжений у вершины трещины, асимптотическое решение м. уильямса, высшие приближения, коэффициенты высших приближений
Короткий адрес: https://sciup.org/146282020
IDR: 146282020 | УДК: 539.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2020.4.20
Experimental determination and finite element analysis of coefficients of the multi-parameter Williams series expansion in the vicinity of the crack tip in linear elastic materials. Part I
This study aims at obtaining coefficients of the multi-parameter Williams series expansion for the stress field in the vicinity of the central crack in the rectangular plate and in the semi-circular notched disk under bending by the use of the digital photoelasticity method. The higher-order terms in the Williams asymptotic expansion are retained. It allows us to give a more accurate estimation of the near-crack-tip stress, strain and displacement fields and extend the domain of validity for the Williams power series expansion. The program is specially developed for the interpretation and processing of experimental data from the phototelasticity experiments. By means of the developed tool, the fringe patterns that contain the whole field stress information in terms of the difference in principal stresses (isochromatics) are captured as a digital image, which is processed for quantitative evaluations. The developed tool allows us to find points that belong to isochromatic fringes with the minimal light intensity. The digital image processing with the aid of the developed tool is performed. The points determined with the adopted tool are used further for the calculations of the stress intensity factor, T-stresses and coefficients of higher-order terms in the Williams series expansion. The iterative procedure of the over-deterministic method is utilized to find the higher order terms of the Williams series expansion. The procedure is based on the consistent correction of the coefficients of the Williams series expansion. The first fifteen coefficients are obtained. The experimentally obtained coefficients are used for the reconstruction of the isochromatic fringe pattern in the vicinity of the crack tip. The comparison of the theoretically reconstructed and experimental isochromatic fringe patterns shows that the coefficients of the Williams series expansion have a good match.
Список литературы Экспериментальное и конечно-элементное определение коэффициентов многопараметрического асимптотического разложения М. Уильямса у вершины трещины в линейно-упругом изотропном материале. Часть I
- Evaluation of the SIF and T-stress values of the Brazilian disc with a central notch by hybrid method / P. Miarka, A.S. Cruces, S. Seitl, L. Malikova, P. Lopez-Crespo // International Journal of Fatigue. - 2020. - Vol. 135. - P. 105562.
- Li H., Guo R., Cheng H. Calculation of stress intensity factors of matrix crack tip in particle reinforced composites using the singular Voronoi cell finite element method // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. - 2019. - Vol. 101. - P. 269-278.
- Evaluation of notch stress intensity factors by the asymptotic expansion technique coupled with the finite element method / S. Yao, C. Chen, Z. Niu, Z. Hu // Applied Mathematical Modelling. - 2018. - Vol. 61. - P. 682-692.
- DIC identification and X-FEM simulation of fatigue crack growth based on the Williams' series / C. Roux - Langlois, A. Gravouil, M.-C. Baietto, J. Rethore, F. Mathieu, F. Hild, S. Roux // International Journal of Solids and Structures. - 2015. -Vol. 53. - P. 38-47.
- Akhondzadeh Sh., Khoei A.R., Broumand P. An efficient strategy for modelling stress singularities in isotropic composite materials with X-FEM technique // Engineering Fracture Mechanics. - 2017. - Vol. 169. - P. 201-225.
- Evaluation of the T-stress for cracks in functionally graded materials by the FEM / J. Sladek, V. Sladek, M. Repka, C.L. Tan // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. - 2016. -Vol. 86, part I. - P. 332-341.
- Patil P., Vysasarayani C.P., Ramji M. Linear least squares approach for evaluating crack tip fracture parameters using isochromatic and isoclinic data from digital photoelasticity // Optics and Lasers in Engineering. - 2017. - Vol. 93. - P. 182-194.
- Dolgikh V.S., Stepanova L.V. A photoelastic and numeric study of the stress field in the vicinity of two interacting cracks: Stress intensity factors, T-stresses and higher order terms // AIP Conference Proceedings. - 2020. - Vol. 2216. - P. 020014.
- Jobin T.M., Khaderi S.N., Ramji M. Experimental evaluation of the strain intensity factor at the inclusion tip using digital photoelasticity // Optics and Lasers in Engineering. - 2020. -Vol. 126. - P. 105855.
- Yuan Y., Sheng C., Zhang Z. Unified Theoretical Model of Caustic Method for the Interfacial Cracks // Engineering Fracture Mechanics. - 2020. - Vol. 233. - P. 107006.
- Vivekanandan A., Ramesh K. Study of interaction effects of asymmetric cracks under biaxial loading using digital pho-toelasticity // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. -2019. - Vol. 99. - P. 104-117.
- Stepanova L.V. The algorithm for the determination of the Williams asymptotic expansion coefficients for notched semidiscs using the photoelasticity method and finite element method // AIP Conference Proceedings. - 2020. - Vol. 2216. -P. 020013.
- Stepanova L.V., Roslyakov P.S. Complete Williams asymptotic expansion of the stress field near the crack tip: analytical solutions, interference-optic methods and numerical experiments // AIP Conference. - 2016. - Vol. 1785. - P. 030029.
- Liao M., Zhang P. An improved approach for computation of stress intensity factors using the finite element method // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. - 2019. - Vol. 101. -P. 185-190.
- Hello G., Tahar M.B., Roelandt J.M. Analytical determination of coefficients in crack-tip stress expansions for a finite crack in an infinite plane medium // International Journal of Solids and Structures. - 2012. - Vol. 49. - P. 556-566.
- Hello G. Derivation of complete crack-tip stress expansions from Westergaard-Sanford solutions // International Journal of Solids and Structures. - 2018. - Vol. 144-145. - P. 265-275.
- Косыгина Л.Н. Асимптотическое представление поля напряжений у вершины трещины для пластины с боковыми надрезами: теоретическое исследование и вычислительный эксперимент // Вестник Самарского университета. Естественнонаучная серия. - 2018. - Т. 24, № 2. - С. 55-66.
- Stepanova L.V., Roslyakov P., Lomakov P. A photoelastic study for multiparametric analysis of the near crack tip stress field under mixed mode loading // Procedia Structural Integrity. -2016. - Vol. 2. - P. 1797-1804.
- Stepanova L.V., Dolgikh V.S. Interference-optical methods in mechanics for the multi-parameter description of the stress fields in the vicinity of the crack tip // Journal of Physics: Conference series. - 2018. - Vol. 1096(1). - P. 012117.
- Stepanova L., Bronnikov S. A computational study of the mixed-mode crack behavior by molecular dynamics method and the multi-Parameter crack field description of classical fracture mechanics // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. -2020. - Vol. 109. - P. 102691.
- Степанова Л.В. Асимптотический анализ поля напряжений у вершины трещины (учет высших приближений) // Сибирский журнал вычислительной математики. - 2019. -Т. 22, № 3. - C. 345-361.
- Stepanova L.V., Dolgikh V.S., Turkova V.A. Digital photoelasticity for calculating coefficients of the Williams series expansion in plate with two collinear cracks under mixed mode loading // Ceur Workshop Proceedings. - 2017. - Vol. 1904. -P. 200-208.
- Mirzaei A.M., Ayatollahi M.R., Bahrami B. Asymptotic stress field and the coefficients of singular and higher order terms for V-notches with end holes under mixed - mode loading // International Journal of Solids and Structures. - 2019. - Vol. 172-173. -P. 51-69.
- Stepanova L., Bronnikov S. Mathematical modeling of the crack growth in linear isotropic materials by conventional fracture mechanics approaches and by molecular dynamics method: Crack propagation direction angle under mixed mode loading // Journal of Physics: Conference Series. - 2018. - Vol. 973. -P. 012046.
- Elastic stress analysis of blunt V-notches under mixed mode loading by considering higher order terms / A.M. Mirzaei, M.R. Ayatollahi, B. Bahrami, F. Berto // Applied Mathematical Modelling. - 2020. - Vol. 78. - P. 665-684.
- Malikova L., Miarka P., Simonova H. Utilization of Williams power series for estimation of crack behavior under mixed-mode loading // Key Engineering Materials. - 2020. - Vol. 827. -P. 203-208.
- Multi-parameter fracture mechanics: crack path in a mixed-mode specimen / L. Malikova, H. Simonova, B. Kucharczykova, P. Miarka // Frattura ed Integrita Strutturale. - 2019. - Vol. 13. -P. 65-73.
- Ruzicka V., Malikova L., Seitl S. Over-deterministic method: The influence of rounding numbers on accuracy of the values of Williams' expansion terms // Frattura ed Integrita Strutturale. - 2017. - Vol. 11, no. 42. - P. 128-135.
- Stepanova L. Influence of higher-order terms of the Williams expansion on the crack-tip stress field for mixed-mode loadings: Asymptotic solutions and interference-optical methods of solid mechanics // ICF 2017 - 14th International Conference on Fracture. - 2017. - Vol. 2. - P. 110-111.
- Tada H., Paris P.C., Irwin G.R. The stress analysis of cracks handbook. - New York: ASME, 2000. - 696 p.
- Kachanov M., Shafiro B., Tsurkov I. Handbook of Elasticity Solutions. - Netherlands: Springer, 2003. - 329 p.
- Savruk M.P., Kazberuk A. Stress Concentration at Notches. - Switzerland, Springer, 2017. - 510 p.
- Murakami Y. Theory of elasticity and stress concentration. - John Wiley & Sons, 2017. - 446 p.
- Ren Z., Xie H., Ju Y. Quantification of photoelastic fringe orders using polarized light camera and continuous loading // Optic and Lasers in Engineering. - 2020. - Vol. 134. - P. 106263.
- Ramesh K., Sasikumar S. Digital photoelasticity: Recent developments and diverse applications // Optics and Lasers in Engineering. - 2020. - P. 106186.
- Liu P., Fu G., Ren Z. Visualization of full-field stress evolution during 3D penetrated crack propagation through 3D printing and frozen stress techniques // Engineering Fracture Mechanics. - 2020. - Vol. 236. - P. 107222.
- Vivekanandan A., Ramesh K. Study of crack interaction effects under thermal loading by digital photoelasticity and finite elements // Experimental Mechanics. - 2020. - Vol. 60(3). - P. 295-316.
- Vivekanandan A., Ramesh K. Study of interaction effects of asymmetric cracks under biaxial loading using digital pho-toelasticity // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. -2019. - Vol. 99. - P. 104-117.
- Solaguren-Beascoa Fernández M. Evaluation of uncertainty in the measurement of the crack-tip stress field using photoelasticity // J Strain Anal Eng Des. - 2019. - Vol. 54. - P. 24-35.
- Lesniewska D., Radosz I., Pietrzak M. Photo-Elastic Observation of Loading and Crushing of a Single Grain // In: Giovine P, editor. Micro to Macro Math. Model. Soil Mech. Trends Math. - Switzerland: Springer Nature, 2019. - P. 213-223
- Fernández M.S.B. Metrological considerations in the measurement of contact stress parameters using photoelasticity // Optics and Lasers in Engineering. - 2019. - Vol. 117. - P. 29-39.
- Zerkal S.M., Tabanyukhova M.V. Photoelastic analysis of stress concentration near the vertices of the crack-cuts // Innovation in life. - 2019. - № 2(29). - P. 126-133.
- Tabanyukhova M.V. Photoelastic analysis of the stressed state of a flat element with geometrical stress concentrators (cutout and cuts) // Key Engineering Materials. - 2020. - Vol. 827. - P. 330-335.
- Thomre M., Ramesh K. Evaluation of Fracture Parameters of Cracks in Compressor Blade Root Using Digital Photoelasticity // Lecture Notes in Mechanical Engineering. - 2020. - P. 557-566.
- Jobin T.M., Khaderi S.N., Ramji M. Experimental evaluation of the strain intensity factor at the rigid line inclusion tip embedded in an epoxy matrix using digital image correlation // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. - 2020. - Vol. 106. -P. 102425.