Экспериментальное определение полей у вершины трещины: метод голографической интерферометрии и метод корреляции цифровых изображений
Автор: Анисимов Г.С., Степанова Л.В.
Статья в выпуске: 3, 2024 года.
Бесплатный доступ
Рассматриваются вопросы реконструкции поля напряжений у вершин системы горизонтальных и наклонных трещин в линейно упругой среде с помощью результатов экспериментальных исследований, проведенных интерференционно-оптическими методами: методом голографической интерферометрии и методом корреляции цифровых изображений. Эксперимент нацелен на построение многокомпонентного асимптотического разложения М. Уильямса с удержанием регулярных (неособых) слагаемых ряда для пластин, ослабленных двумя взаимодействующими трещинами. Для восстановления коэффициентов ряда М. Уильямса были использованы картины абсолютной разности хода (изодромы), позволяющие с помощью закона Фавра определить главные напряжения в окрестности вершины трещины. С помощью метода корреляции цифровых изображений для ряда конфигураций образцов с трещинами определены поля деформаций. Экспериментальная информация, полученная двумя интерференционно-оптическими методами, использована для вычисления коэффициентов многопараметрического асимптотического разложения М. Уильямса. Предложена новая вариация переопределенного метода, ориентированная на линеаризованный закон Фавра, и позволяющая отыскать посредством итерационной процедуры коэффициенты асимптотического ряда М. Уильямса (обобщенные коэффициенты интенсивности напряжений), опираясь на результаты поляризационно-оптических измерений. Для верификации результатов обработки всей совокупности экспериментальных данных дополнительно проведен вычислительный эксперимент с помощью метода конечных элементов, что позволило вычислить обобщенные коэффициенты интенсивности напряжений, опираясь на поля напряжений, найденные методом конечных элементов. Предложена модификация переопределенного метода, основанная на применении исключительно полей напряжений, ассоциированных с вершиной трещины, определяемых из конечно-элементного решения. Показано, что коэффициенты ряда М. Уильямса, определенные с помощью натурного и вычислительного эксперимента, хорошо согласуются между собой.
Метод голографической интерферометрии, закон фавра, метод корреляции цифровых изображений, многопараметрическое асимптотическое разложение м. уильямса, переопределенный метод, цифровая обработка изображений
Короткий адрес: https://sciup.org/146282923
IDR: 146282923 | УДК: 639.3 | DOI: 10.15593/perm.mech/2024.3.03
Experimental determination of crack-tip fields: holographic interferometry method and digital image correlation method
The problems of reconstruction of the stress field at the crack tips of a system of horizontal and inclined cracks in a linear isotropic elastic medium using the results of experimental studies conducted by interference-optical methods: the method of holographic interferometry and the digital image correlation are considered. The experiments are aimed at constructing a multi-component asymptotic expansion of M. Williams with the retention of regular (nonsingular) series terms for plates weakened by two interacting cracks. To restore the coefficients of the M. Williams series the interference patterns of the absolute retardation fringes (isodromes) are used. Favre's law allows us to determine the main stresses in the vicinity of the crack tip. The strain and displacement fields were determined using the digital image correlation method for a number of cracked specimens. The experimental data obtained by two interference-optical methods was used to calculate the coefficients of the multi-point asymptotic expansion of M. Williams. A new variation of the over-deterministic method is proposed, focused on the linearized Favre's law, and allowing us to find the coefficients of the asymptotic series of M. Williams (generalized stress intensity coefficients) by means of an iterative procedure, based on the results of polarization-optical measurements. To verify the results of processing all the experimental data, a computational experiment was additionally carried out using the finite element method, which made it possible to calculate generalized stress intensity factors based on the stress fields found by the finite element method. A modification of the over-deterministic method based solely on the application of stress fields associated with the crack tip is proposed. It is shown that the generalized coefficients of the M. Williams series, determined using a full-field and computational experiment, are in good agreement.
Список литературы Экспериментальное определение полей у вершины трещины: метод голографической интерферометрии и метод корреляции цифровых изображений
- Матвиенко, Ю.Г. Основы физики и механики разрушения / Ю.Г. Матвиенко. - М.: Физматлит, 2022. - 144 с.
- Матвиенко, Ю.Г. Двухпараметрическая механика разрушения / Ю.Г. Матвиенко. - М.: Физматлит, 2021. - 208 с.
- Ritchie, R.O. Introduction to fracture mechanics / R.O. Ritchie, D. Liu. - Amsterdam: Elsevier, 2021. - 168 p.
- Saxena, A. Basic fracture mechanics and its applications / A. Saxena. - Boca Raton: CRC Press, 2022. - 342 p.
- Hello, G. Derivation of complete crack-tip stress expansions from Westergaard-Sanford solutions / G. Hello // International Journal of Solids and Structures. - 2018. - Vol. 144-145. - P. 265-275.
- Hello, G. Analytical determination of coefficients in crack-tip stress expansions for a finite crack in an infinite plane medium / G. Hello, M.B. Tahar, J.-M. Roeland // International Journal of Solids and Structures. - 2012. - Vol. 49. - P. 556-566.
- Dugnani, R. Stress intensity factor by combined perturbation method and universal weight functions / R. Dugnani, L. Ma // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. - 2023. -Vol. 126. - 103994.
- A data-driven model for predicting the mixed-mode stress intensity factors of a crack in composite / X. Zhang, T. Zhao, Y. Liu, Q. Chen, Z. Wang, Z. Wang // Engineering Fracture Mechanics. - 2023. - Vol. 288. - 109385.
- Ru, M. On enrichment strategies and methods to extract stress intensity factors using extended finite element method for biomaterials / M. Ru, C. Liu, Y. Wei // Engineering Fracture Mechanics. - 2023. - Vol. 281. - 109060.
- Stress intensity factor calculation of the cracks interacted by the oval-holes in anisotropic elastic solids under remote and non-uniform surface stresses / Q-h. Rao, C-c. Zhao, W. Yi, D. Sun, Z. Liu // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. - 2022. -Vol. 121. - 103475.
- Assessment of amplitude factors of asymptotic expansion at the crack tip in flexoelectric solid under mode I and II loadings / T. Profant, J. Sladek, V. Sladek, M. Kotoul // International Journal of Solids and Structures. - 2023. - Vol. 269. - 112194.
- Nejati, M. Crack tip asymptotic fields in anisotropic planes: Importance of higher order terms / M. Nejati, S. Gholi, M.R. Ayatollahi // Applied Mathematical Modelling. - 2021. -Vol. 91. - P. 837-862.
- Melching, D. Advanced crack tip characterization using conjugate work integrals / D. Melching, E. Breitbarth // International Journal of Fatigue. - 2023. - Vol. 169. - 10,501.
- On the experimental characterization of the crack tip displacement fields on nonplanar elements: Numerical and experimental analysis / A. Camacho-Reyes, F.V. Antunes, J.M. Vasco-Olmo, F.A. Diaz, L.A. Felipe-Sese // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. - 2023. - Vol. 124. - 103803.
- Stepanova, L.V. Coefficients of the Williams power expansion of the near crack tip stress field in continuum linear elastic fracture mechanics at the nanoscale / L.V. Stepanova, O.N. Belova // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. - 2022. - Vol. 119. - 103298.
- Stepanova, L.V. Stress intensity factors, T-stresses and higher order coefficients of the Williams series expansion and their evaluation through molecular dynamics simulations / L.V. Ste-panova, O.N. Belova // Mechanics of Advanced Materials and Structures. - 2022. - Vol. 30, iss. 19. - P. 3862-3884.
- Степанова, Л.В. Применение метода голографической интерферометрии для реконструкции ряда М. Уильямса у вершины трещины / Л.В. Степанова, Д.А. Семенов, Г.С. Анисимов // Вестник Самарского университета. Естественнонаучная серия. 2023. - Т. 29, № 1. - С. 15-46.
- Степанова, Л.В. Идентификация коэффициентов интенсивности напряжений, T-напряжений и коэффициентов регулярных слагаемых высокого порядка в разложении Уильямса с помощью молекулярно-динамического моделирования / Л.В. Степанова, О.Н. Белова // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. - 2023. - № 2. - С. 4,^.
- Experimental stress determination of blunt notches under combinations of modes I and II loading / S.K. Alavi, M.R. Ayatol-lahi, M. Daneshfar, B. Bahrami // Engineering Structures. -2023. - Vol. 2,8. - 11551,.
- Shuai, J. Simple crack tip and stress intensity factor determination method for mode I crack using digital image correla-tion/nanoscale / J. Shuai, J. Zhao, L. Lei // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. - 2022. - Vol. 122. - 103621.
- Ramesh, K. Digital Photoelasticity. Advanced Techniques and Applications / K. Ramesh. - Sham: Springer, 2013. -430 p.
- Ramesh, K. Digital photoelasticity: Recent developments and diverse applications / K. Ramesh, S. Sasikumar // Optics and Lasers in Engineering. - 2020. - 106186.
- Разумовский, И.А. Интерференционно-оптические методы механики деформируемого твердого тела / И.А. Разумовский. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007. - 240 с.
- Vivekanandan, A. Study of crack interaction effects under thermal loading by digital photoelasticity and finite elements / A. Vivekanandan, K. Ramesh // Experimental Mechanics. -2020. - Vol. 60(3). - P. 295-316.
- Vivekanandan, A. Study of interaction effects of asymmetric cracks under biaxial loading using digital photoelasticity / A. Vivekanandan, K. Ramesh // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. - 2019. - Vol. 99. - P. 104-117.
- Ramesh, K. Developments in Photoelasticity-A renaissance / K. Ramesh. - IOP Publishing, 2021. - 225 p.
- Anand, C. Simulating Isochromatic Fringes from Finite Element Results of FEniCS / C. Anand, S. Natarajan, K. Ramesh // Experimental Techniques. - 2023.
- Sasikumar, S. Framework to select refining parameters in Total fringe order photoelastcity (TFP) / S. Sasikumar, K. Ramesh // Optics and Lasers in Engineering. - 2023. -Vol. 160. - 107277.
- Application of artificial neural networks for state analysis based on the photoelastic method / A. Konurin, S. Neverov, A. Neverov, D. Orlov, I. Zharov, M. Konurina // Geohazard Mechanics. - 2023.
- Lee, H. Time-staged photoelastic image prediction using multi-stage convolutional autoencoders / H. Lee, H. An, D.-W. Lee // Engineering Applications of Artificial Intelligence. - 2022. - Vol. 116. - 105265.
- Brinez-de Leon, J.C. PhotoelastNet: a deep convolutional neural network for evaluating the stress field by using a single color photoelasticity image / J.C. Brinez-de Leon, M. Rico-Garcia, A. Restrepo-Martinez // Applied Optics. - Iss. 7. - P. D50-62.
- Fringe pattern analysis to evaluate light sources and sensors in digital photoelasticity / H. Fandino-Toro, Y. Aristizabal-Lopez, A. Restrepo-Martinez, J. Brinez-de Leon // Applied Optics. - 2023. - Vol. 62, iss. 10. - P. D2560-2568.
- Zhao, W. Accuracy improvement of demodulating the stress field with StressUnet in photoelasticity / W. Zhao, G. Zhang, J. Li // Applied Optics. - 2022. - Vol. 61. - P. 8678-8687.
- Ayatollahi, M.R. Digital image correlation methos for calculating coefficients of Williams expansion in compact tension specimen / M.R. Ayatollahi, M. Moazzami // Optics and Lasers in Engineering. - 2017. - Vol. 90. - P. 26-33.
- Favre, H. Sur une novelle methode optic de determination des tensions interieres / H. Favre // Revue d'Optic. -1929. - Vol. 8(193). - P. 241-289.
- Nocedal, J. Numerical optimization / J. Nocedal, S.J. Wright. - Cham: Springer, 2006. - 686 p.
- Artificial neural network in prediction of mixed-mode I/II fracture load / B. Bahrami, H. Talebi, M.R. Ayatollahi, M.R. Khosravani // International Journal of Mechanical Sciences. - 2023. - Vol. 248. - 108214.
