Конечно-элементное исследование смешанного нагружения на примере полудиска с вертикальным и наклонным надрезами
Автор: Степанова Л.В., Фролов К.В.
Статья в выпуске: 3, 2018 года.
Бесплатный доступ
Приведен класс конечно-элементных решений задач определения напряженно-деформированного состояния в новых типах экспериментальных образцов на трехточечный изгиб: полудиск с вертикальным и наклонным надрезом и полудиск с вертикальным надрезом с несимметричным расположением опор. Для первого типа образца проведен анализ полей напряжений у вершины наклонного надреза для различных значений угла наклона надреза: 0º, 10-45º, 49º, 50-80º и вычислены параметры механики разрушения (коэффициенты интенсивности напряжений и Т -напряжения для нормального отрыва и нагружений, близких к поперечному сдвигу) для различных видов смешанного нагружения. Для второго типа образца проведен вычислительный эксперимент для различных расстояний опор до центра диска. Изменение расстояний между опорой и центром диска позволяет реализовать нормальный отрыв и различные виды смешанного нагружения вплоть до нагружений, близких к чистому поперечному сдвигу. С помощью метода фотоупругости выполнена серия натурных экспериментов, нацеленных на анализ поля напряжений в полудиске и вида смешанного нагружения. Наблюдаемая интерференционная картина позволяет ясно видеть тип нагружения (нормальный отрыв и смешанное нагружение) и сделать заключение о невозможности реализации чистого поперечного сдвига в рассматриваемом типе образцов. Проведенное конечно-элементное исследование, реализованное в многофункциональном комплексе SIMULIA Abaqus, и последующее сравнение полученных результатов и наблюдений в рамках интерференционно-оптических методов механики деформируемого твердого тела (метод цифровой фотоупругости) подтверждают невозможность реализации чистого поперечного сдвига в данном типе образцов с наклонной трещиной. Анализ численных расчетов показывает, что, действительно, при угле наклона разреза, равном 49º, чистого поперечного сдвига не происходит. В полудиске с наклонным надрезом реализуется смешанное нагружение для всех углов наклона надреза от 0 до 85º.
Полудиск с наклонной трещиной, конечно-элементное решение, коэффициенты интенсивности напряжений, т-напряжений, смешанное нагружение, чистый нормальный отрыв, чистый поперечный сдвиг, метод фотоупругости
Короткий адрес: https://sciup.org/146281868
IDR: 146281868 | УДК: 539.42 | DOI: 10.15593/perm.mech/2018.3.12
Finite element study of mixed mode loading of the cracked semicircular disc under bending
Numerical and experimental works are performed on the mixed-mode I/II brittle fracture by two types of edge cracked semicircular bend specimens. The first type is edge cracked semi-circular bend (SBC) specimens with vertical and inclined notches. The second type of specimens is semi-circular samples in which the contribution of Mode I and Mode II components varies by changing the bottom loading support. In the test numerical program fracture tests were conducted at crack inclination angles of 0º, 10-45º, 49º, 50-80º. The stress intensity factors for Mode I and Mode II loading and T-stresses are obtained numerically in FEM package SIMULIA Abaqus/CAE. The results of FEM modeling are compared with the experimental results obtained by the photoelasticity method. The experimental approach based on the photoelasticity method allows us to observe the von Mises equivalent stress distribution in the whole specimen and confirm the FEM studies performed. The comparison shows that in the specimens the pure Mode II loading cannot be realized. Analysis of numerical studies and isochromatic fringe patterns allows us to conclude that in the semicircular disc the mixed mode loadings are realized for all angles from 0 to 85º. The pure Mode II or sliding fracture can not be created by so- called Mode II loading in disc-type specimens SCB, because there are opening displacements observed for all the specimens investigated numerically and experimentally.
Список литературы Конечно-элементное исследование смешанного нагружения на примере полудиска с вертикальным и наклонным надрезами
- Fakhri M., Haghighat Kharrazi, Aliha M.R.M. Mixed-mode tensile - In plane shear fracture energy determination for hot mix asphalt mixtures under intermediate temperature conditions // Engineering Fracture Mechanics. - 2018. - Vol. 192. - P. 98-113.
- Степанова Л.В., Бронников С.А., Белова О.Н. Оценка направления роста трещины в условиях смешанного нагружения (нормальный отрыв и поперечный сдвиг): обобщенные критерии классической механики разрушения и атомистическое моделирование смешанного нагружения (метод молекулярной динамики)//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2017. -T. 4. -C. 189-213.
- Stepanova L.V., Bronnikov S.A. Mathematical modeling of the crack growth in linear elastic 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(1). -012046.
- Степанова Л.В., Яковлева Е.М. Смешанное деформирование пластины с трещиной в условиях плоского напряженного состояния//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. -2014. -№ 3. -С. 129-162.
- Stepanova L., Roslyakov P. Complete Williams asymptotic expansion of the stress field near the crack tip: Analytic solutions, interference-optic methods and numerical experiments//AIP Conference Proceedings. -2016. -Vol. 1785. -030029.
