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)

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)

Автор: Степанова Л.В., Бронников С.А., Белова О.Н.

Журнал: Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика @vestnik-pnrpu-mechanics

Статья в выпуске: 4, 2017 года.

Бесплатный доступ

Работа посвящена оценке направления роста трещины в условиях смешанно-го нагружения (нормальный отрыв и поперечный сдвиг) в изотропном линейно-упругом материале с использованием двух подходов: с помощью обобщенных критериев классической континуальной механики разрушения и атомистического моделирования, выполненного с помощью метода молекулярной динамики в паке-те LAMMPS (Large-scale Molecular Massively Parallel Simulator). В рамках контину-альной классической линейной механики разрушения использовались два крите-рия: 1) критерий максимального тангенциального напряжения; 2) критерий мини-мума плотности упругой энергии деформации на примере пластины с одной центральной трещиной. В каждом критерии разрушения использовалось многопа-раметрическое представление поля напряжений у вершины трещины - полное асимптотическое разложение М. Уильямса, в котором удерживались высшие при-ближения. Получены углы направления роста трещины для параметра смешанно-сти нагружения, задающего вид нагружения в полном диапазоне смешанных форм деформирования. Выполнено компьютерное атомистическое моделирование про-цесса роста трещины в пакете LAMMPS для различных видов смешанного нагру-жения. Получены углы направления распространения трещины на примере пла-стины с центральной трещиной для различных значений параметра смешанности нагружения в широком диапазоне температур. Проведено сравнение углов распро-странения трещины, полученных с помощью двух подходов: подхода континуаль-ной механики разрушения и атомистического моделирования, базирующегося на

Еще

Направление роста трещины, смешанное нагружение, критерий максимального тангенциального напряжения, критерий минимума плотности энергии упругой деформации, атомистическое моделирование, метод молекулярной динамики

Короткий адрес: https://sciup.org/146211701

IDR: 146211701   |   DOI: 10.15593/perm.mech/2017.4.13

Список литературы 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)

  • Кулиев В.Д., Морозов Е.М. Градиентный деформационный критерий хрупкого разруше-ния//Живучесть и конструкционное материаловедение (ЖИВКОМ-2016): тр. конф./Институт машиноведения им. А.А. Благонравова. -М., 2016. -С. 24-27.
  • Матвиенко Ю.Г. Моделирование кинетики развития трещин в поверхностных слоях мате-риала//Заводская лаборатория. -2017. -Т. 83, № 1. -С. 65-71.
  • Berto F., Ayatollahi M.R. A review of the local strain energy density approach to V-nothces//Physical mesomechanics. -2017. -Vol. 20. -No. 2. -P. 14-27.
  • Matvienko Y.G., Morozov E.M. Two basic approaches in a search of the crack propagation angle//Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 2017 DOI: 10.1111/ffe.12583
  • Rashidi Moghaddam M., Ayatollahi M., Berto F. The application of strain energy density criterion to fatigue crack growth behavior of cracked components//Theoretical and Applied Fracture Mechanics. -2017. -No. 1. -С. 33-56.
  • Rashidi Moghaddam M., Ayatollahi M., Berto F. Mixed mode fracture analysis using generalized averaged strain energy density criterion for linear elastic materials//International Journal of Solids and Structures. -2017. -Vol. 120. -P. 137-145.
  • Razavi M.J., Aliha M.R.M., Berto F. Application of an average strain energy density criterion to obtain the mixed mode fracture load of granite rock tested with the cracked asymmetric four-point bend specimen//Theoretical and Applied Fracture Mechanics. -2017. -No. 33. -P. 25-33.
  • Malikova L., Vesely V. Estimation of the crack propagation direction in a mixed-mode geometry via multi-parameter fracture criteria//Frattura ed Integrita Strutturalle. -2015. -No. 33. -P. 25-32.
  • Malikova L. Multi-parameter fracture criteria for the estimation of crack propagation direction applied to a mixed-mode geometry//Engineering fracture mechanics. -2015. -No. 143. -P. 32-46.
  • Malikova L., Vesely V. Influence of the elastic mismatch on crack propagation in a silicate-based composite//Theoretical and Applied Fracture Mechanics. -2017. -Vol. 91. -P. 25-30.
  • Crack propagation in non-homogenous materials: Evaluation of mixed-mode SIFs, T-stress and kinking angle using a variant of EFG Method/N. Muthu, S.K. Maiti, B.G. Falzon, W. Yan//Engineering Analysis With Boundary Elements. -2016. -Vol. 72. -P. 11-26.
  • Berto F., Lazzarin P. Recent developments in brittle and quasi-brittle failure assessment of engineering materials by means of local approaches//Materials Science and Engineering. -2014. -R. 75. -P. 1-48.
  • Sih G.C. Application of Strain -Energy -Density Theory to Fundamental Fracture Problem. -Institute of Fracture and Solid Mechanical Technical Report, Lehigh University, AFOSR-RT-73-1, 1973.
  • Sih G.C. Strain-energy factor applied to mixed mode crack problems//Int. J. Fracture. -1974. -Vol. 10. -P. 305-321.
  • Li Q.M. Strain energy density failure criterion//International Journal of Solids and Structures. -2001. -Vol. 38. -P. 6997-7013.
  • Mirsayar M.M., Razmi A., Berto F. Tangential strain-based criteria for mixed-mode I/II fracture toughness of cement concrete//Fatigue Fracture Engineering Material and Structures. -2017. -P. 1-9 DOI: 10.1111.ffe.12665
  • Wulfinghoff S., Fassin M., Reese S. A damage growth criterion for anisotropic damage models motivated from micromechanics//International Journal of Solids and Structures. -2017. -Vol. 121. -P. 21-32.
  • Ayatollahi M.R., Rashidi Moghaddam M., Berto F. A generalized strain energy density criterion for mixed mode fracture analysis in brittle and quasi-brittle materials//Theoretical and Applied Fracture Mechanics. -2015. -Vol. 79. -P. 70-76.
  • Local strain energy density to predict size-dependent brittle fracture of cracked specimens under mixed mode loading/F. Berto, M.R. Ayatollahi, T. Borsato, P. Ferro//Theoretical and Applied Fracture Mechanics. -2016. -Vol. 86. -P. 217-224.
  • Mirsayar M.M. Mixed mode fracture analysis using extended maximum tangential strain criterion//Materials and Design. -2015. -Vol. 86. -P. 941-947.
  • Seitl S., Malikova L. Williams expansion-based approximation of the stress field in an Al 2024 body with a crack from optical measurements//Frattura ed Integrita Strutturalle. -2017. -No. 41. -P. 323-331.
  • Stepanova L.V., Roslyakov P.S., Multi-parameter description of the crack-tip stress field: analytic determination of coefficients of crack-tip stress expansions in the vicinity of the crack tips of two finite cracks in an infinite plane medium//International Journal of Solids and Structures. -2016. -Vol. 100-101. -P. 11-28.
  • Stepanova L., Roslyakov P. Complete Williams asymptotic expansion of the stress field near the crack tip: Analytical solutions, interference-optic methods and numerical experiments//AIP Conference Proceedings. -2016. -Vol. 1785. -030029.
  • Степанова Л.В., Росляков П.С. Полное асимптотическое разложение М. Уильямса у вер-шин двух коллинеарных трещин конечной длины в бесконечной пластине//Вестник Пермского национального исследовательского политехнического универистета. Механика. -2015. -№ 4. -P. 188-225.
  • 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.
  • Stepanova L.V., Igonin S.A. Asymptotics of the near-crack-tip stress field of a growing fatigue crack in damaged materials: Numerical experiment and analytical solution//Numerical Analysis and Applications. -2015. -Vol. 8. -No. 2. -P. 168-181.
  • Stepanova L.V., Adylina E.M. Stress-strain state in the vicinity of a crack tip under mixed loading//Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. -2014. -Vol. 55(5). -P. 885-895.
  • Krepl O., Klusak J. The influence of non-singular terms on the precision of stress description near a sharp material inclusion tip//Theoretical and Applied Fracture Mechanics. -2017. -Vol. 90. -P. 85-99.
  • Stepanova L.V. Eigenspectra and orders of stress singularity at a mode I crack tip for a power-law medium//Comptes Rendus -Mecanique. -2008. -Vol. 336. -No. 1-2. -P. 232-237.
  • Stepanova L.V. Eigenvalue of the antiplane shear crack problem for a power-law material//Journal of Applied Mechanics and Technical Physics. -2008. -Vol. 49. -No. 1. -P. 142-147.
  • Ayatollahi M.R., Moazzami M. Digital image correlation method for calculating coefficients of Williams expansion in compact tension specimen//Optics and Lasers in Engineering. -2017. -Vol. 90. -P. 26-33.
  • Stepanova L.V., Fedina M.Ye. Self-similar solution of a tensile crack problem in a coupled formulation//Journal of Applied Mathematics and Mechanics. -2008. -Vol. 72. -No. 3. -P. 360-368.
  • Stepanova L.V. Eigenvalue analysis for a crack in power-law material//Computational Mathematics and Mathematical Physics. -2009. -Vol. 49. -No. 8. -P. 1332-1347.
  • Malikova L., Klusak J., Kersner Z. Assessment of Crack Stability in a Quasi-brittle Particle Composite//Procedia Engineering. -2017. -Vol. 190. -P. 49-53.
  • Stepanova L.V., Yakovleva E.M. Mixed-mode loading of the cracked plate under plane stress conditions//PNRPU Mechanics Bulletin. -2014. -No. 3. -P. 129-162 DOI: 10.15593/perm.mech/2014.3.08
  • Foiles S.M., Baskes M.I., Daw M.S. Embedded-atom-method functions for the fcc metals Cu, Ag, Au, Ni, Pd, Pt, and their alloys//Physical Review B. -1986. -Vol. 33. -P. 7983-7991.
  • Cui C.B., Beom H.G. Molecular dynamics simulation of edge cracks in copper and aluminium single crystals//Materials Science and Engineering A. -2014. -Vol. 609. -P. 102-109 DOI: 10.1016/j.msea.2014.04.101
  • Tsai J.-L., Tzeng S.-H., Tzou Y.-J. Characterizing the fracture parameters of a graphene sheet using atomistic simulation and continuum mechanics//International Journal of Solids and Structures. -2010. -Vol. 47. -P. 503-509.
  • Atomistic modeling for mechanism of crack cleavage extension on nano-scale/Y.-J. Gao, Q.-Q. Deng, L.Ye. Huang, Z.C. Wen, Zhi-R. Luo//Computational Materials Science. -2017. -Vol. 130. -P. 64-75.
  • Cui C.B., Lee G.H., Beom H.G. Mixed-mode fracture toughness evaluation of a copper single crystal using atomistic simulations//Computational Materials Science. -2017. -Vol. 136. -P. 216-222.
  • Andric P., Curtin W.A. New theory for Mode I crack-tip dislocation emission//Journal of Mechanics and Physics of Solids. -2017. -Vol. 106. -P. 315-337.
  • Hardy R.J. Formulas for determining local properties in molecular-dynamics simulations: shock waves//Journal Chemical Physics. -1982. -Vol. 76. -P. 622-628.
  • Calculation of stress in atomistic simulation. Calculation of stress in atomistic simulation/J.A. Zimmerman, E.B. Webb III, J.J. Hoyt, R.E. Jones, P.A. Klein, D.J. Bammann//Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. -2004. -Vol. 12. -Iss. 4. -P. S319-S332.
  • Tadmor E.B., Miller R.E. Modeling Materials. Continuum, Atomistic and Multiscaling Techniques. -Cambridge: Cambridge University Press, 2011. -789 p.
  • Structural stability and lattice defects in copper: Ab initio, tight-binding, and embedded-atom calculations/Y. Mishin, M.J. Mehl, D.A. Papaconstantopoulos, A.F. Voter, J.D. Kress//Physical Review B. -2001. -Vol. 63. -224106-1-224106-16.
  • Mishin Y., Farkas D., Mehl M.J., Papaconstantopoulos D.A. Interatomic potentials for monoatomic metals from experimental data and ab initio calculations//Physical Review B. -1999. -Vol. 59. -No. 5. -P. 3393-3407.
  • Molecular Dynamics Simulation of Crack Propagation in Single-Crystal Aluminum Plate with Central Cracks/J. Ding, L.-S. Wang, K. Song, B. Liu, X. Huang//Journal of Nanomaterials. -2017. -5181206 DOI: 10.1155/2017/5181206
  • Molecular dynamics simulation of crack growth behavior in Al in the presence of vacancies/S. Chandra, N.N. Kumar, M.K. Samal, V.M. Chavan, R.J. Patel//Computational Materials Science. -2016. -Vol. 117. -P. 518-526.
  • Curtin W.A. What can atomistic modeling contribute to the understanding of fracture//14th International Conference on Fracture (ICF 14), June 18-23, 2017. -Rhodes, Greece, 2017.
  • Daw M.S., Baskes M.I. Semiempirical, quantum mechanical calculation of hydrogen embrittlement in metals//Physical Review. Letters. -1983. -Vol. 50. -P. 1285-1288.
  • Hoover W.G., Holian B.L. Kinetic moments method for the canonical ensemble distribution//Physics Letters A. -1996. -Vol. 211. -No. 5. -P. 253-257 DOI: 10.1016/0375-9601(95)00973-6
  • Stukowski A. Visualization and analysis of atomistic simulation data with OVITO -the Open Visualization Tool//Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering. -2009. -Vol. 18 (1). -015012.
  • Stukowski A. Visualisation and Analysis Strategies for Atomic Simulations//Introduction to Atomistic Simulation Methods. Eds. C.R. Weinberger, G.J. Tucker-Berlin: Springer, 2016. -P. 317-336.
  • Mesh refinement schemes for the concurrent atomistic-continuum method/S. Xu, L. Xiong, Q. Deng, D.L. McDowell//International Journal of Solids and Structure. -2016. -Vol. 90. -P. 144-152.
  • Li S., Urat S. An atomistic-to-continuum molecular dynamics: Theory, algorithm, and applications//Computational Methods of Applied Mechanical Engineering. -2016. -Vol. 306. -P. 452-478.
  • Liew K.M., Yan J.-W., Zhang L.-W. Atomistic Finite Element Method and Coupling With Atomistic-Continuum Method//Mechanical Behaviors of Carbon Nanotubes. Theoretical and Numerical Approaches. Elsevier. -2017. -P. 249-259.
  • Volegov P.S., Gribov D.S., Trusov P.V. Damage and fracture: Review of Experimental Studies//Physical Mesomechanics Journal. -2016. -No. 3. -P. 319-331.
  • Volegov P.S., Gribov D.S., Trusov P.V. Damage and Fracture: Classical continuum Theories//Physical Mesomechanics Journal. -2017. -No. 2. -P. 157-173.
  • Volegov P.S., Gribov D.S., Trusov P.V. Damage and Fracture: Crystal Plasticity Models//Physical Mesomechanics Journal. -2017. -No. 2. -P. 174-184.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp