Критерий упругопластического разрушения биметаллической пластины с краевой трещиной поперечного сдвига на границе соединения материалов

Авторы

  • Владимир Дмитриевич Кургузов Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН; Новосибирский государственный университет
  • Наталья Виталиевна Федорова Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН; Новосибирский государственный технический университет

DOI:

https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.3.28

Ключевые слова:

упругопластические материалы, предельная деформация, хрупкое, квазихрупкое, квазивязкое и вязкое разрушение

Аннотация

Рассматривается распространение краевой трещины сдвига (II мода разрушения) в упругопластических материалах, разрушающихся при достижении предельной деформации. Критерий продвижения трещины сформулирован с помощью модифицированной модели Леонова-Панасюка-Дагдейла, включающей дополнительный параметр - поперечник зоны пластичности (ширину зоны предразрушения). Для условий маломасштабной текучести при наличии сингулярной особенности поля напряжений в окрестности вершины трещины задан двухпараметрический (сдвоенный) критерий квазихрупкого разрушения упругопластического материала. Сдвоенный критерий разрушения включает в себя деформационный и силовой критерии, при этом последний используется для оценки процесса разрушения в вершине модельной трещины. Протяженности исходной и модельной трещин отличаются на длину зоны предразрушения. Выполнена проверка применимости предложенного критерия прочности при определении разрушающих нагрузок для тел, содержащих краевые трещины поперечного сдвига на границе раздела двух сред. Построены диаграммы квазихрупкого разрушения для составной пластины с краевой трещиной в условиях плоской деформации и плоского напряженного состояния. Проведен анализ параметров, входящих в полученную модель квазихрупкого разрушения. Рекомендуется подбирать параметры модели по аппроксимированной диаграмме простого сдвига и критическому коэффициенту интенсивности напряжений. Численно найдены величины предельных нагрузок в упругопластических материалах для квазивязкого и вязкого типов разрушения. Методом конечных элементов решена задача вытяжки армирующего слоя из металлокомпозита при квазистатическом нагружении, описан процесс распространения пластических деформаций в связующем. Показано, что полученные формы пластических зон существенно отличаются от известных классических представлений.

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.

Библиографические ссылки


  1. Berto F., Lazzarin P. Recent developments in brittle and quasi-brittle failure assessment of engineering materials by means of local approaches // Mater. Sci. Eng. R Rep. 2014. Vol. 75. P. 1-48. https://doi.org/10.1016/j.mser.2013.11.001

  2. Zhu X.-K., Joyce J.A. Review of fracture toughness (G, K, J, CTOD, CTOA) testing and standardization // Eng. Fract. Mech. 2012. Vol. 85. P. 1-46. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2012.02.001

  3. Leguillon D. Strength or toughness? A criterion for crack onset at a notch // Eur. J. Mech. Solid. 2002. Vol. 21. P. 61-72. https://doi.org/10.1016/S0997-7538(01)01184-6

  4. Newman J.C., James M.A., Zerbst U. A review of the CTOA/CTOD fracture criterion // Eng. Fract. Mech. 2003. Vol. 70. P. 371-385. https://doi.org/10.1016/S0013-7944(02)00125-X

  5. Weißgraeber P., Leguillon D., Becker W. A review of finite fracture mechanics: crack initiation at singular and non-singular stress raisers // Arch. Appl. Mech. 2016. Vol. 86. P. 375-401. https://doi.org/10.1007/s00419-015-1091-7

  6. Zhu X.K., Chao Y.J. Specimen size requirements for two-parameter fracture toughness testing // Int. J. Fract. 2005. Vol. P. 117-136. https://doi.org/10.1007/s10704-005-3946-3

  7. Meliani M.H., Matvienko Y.G., Pluvinage G. Two-parameter fracture criterion (Kρ,c-Tef,c) based on notch fracture mechanics // Int. J. Fract. 2011. Vol. 167. P. 173-182. https://doi.org/10.1007/s10704-010-9542-1

  8. Newman Jr. J.C., Newman III J.C. Validation of the Two-Parameter Fracture Criterion using finite-element analyses with the critical CTOA fracture criterion // Eng. Fract. Mech. 2015. Vol. 136. P. 131-141. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2015.01.021

  9. Warren J.M., Lacy T., Newman Jr. J.C. Validation of the Two-Parameter Fracture Criterion using 3D finite-element analyses with the critical CTOA fracture criterion // Eng. Fract. Mech. 2016. Vol. 151. P. 130-137. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2015.11.007

  10. Матвиенко Ю.Г. Двухпараметрическая механика разрушения в современных проблемах прочности // Проблемы машиностроения и надежности машин. № 5. С. 37-46. (English version https://doi.org/10.3103/S1052618813050087)

  11. Matvienko Yu.G., Nikishkov G.P. Two-parameter J-A concept in connection with crack-tip constraint // Theor. Appl. Fract. Mech. 2017. Vol. 92. P. 306-317. https://doi.org/10.1016/j.tafmec.2017.04.007

  12. Nikishkov G.P., Matvienko Yu.G. Elastic-plastic constraint parameter a for test specimens with thickness variation // Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct. 2016. Vol. 39. P. 939-949. https://doi.org/10.1111/ffe.12390

  13. Matvienko Y.G., Morozov E.M. Two basic approaches in a search of the crack propagation angle // Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct. 2017. Vol. 40. P. 1191-1200. https://doi.org/10.1111/ffe.12583

  14. Popova N.S., Morozov E.M., Matvienko Y.G. Predicting the crack path in a wedge under a concentrated tensile force by means of variational principle // Frattura ed Integrità Strutturale. 2019. Vol. 13. P. 267-271. https://doi.org/10.3221/IGF-ESIS.49.26

  15. Guo W. Three-dimensional analyses of plastic constraint for through-thickness cracked bodies // Eng. Fract. Mech. 1999. Vol. 62. P. 383-407. https://doi.org/10.1016/S0013-7944(98)00102-7

  16. Wang X. Elastic T-stress for cracks in test specimens subjected to non-uniform stress distributions // Eng. Fract. Mech. 2002. Vol. 69. P. 1339-1352. https://doi.org/10.1016/S0013-7944(01)00149-7

  17. Wang X., Lewis T., Bell R. Estimations of the T-stress for small cracks at notches // Eng. Fract. Mech. 2006. Vol. 73. P.366-375. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2005.06.009

  18. Nazarali Q., Wang X. The effect of T-stress on crack-tip plastic zones under mixed-mode loading conditions // Fatigue Fract. Engng. Mater. Struct. 2011. Vol. 34. P. 792-803. https://doi.org/10.1111/j.1460-2695.2011.01573.x

  19. Cicero S., Madrazo V., Carrascal I.A. Analysis of notch effect in PMMA using the theory of critical distances // Eng. Fract. Mech. Vol. 86. P. 56-72. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2012.02.015

  20. Корнев В.М. Оценочная диаграмма квазихрупкого разрушения тел с иерархией структур. Многомасштабные необходимые и достаточные критерии разрушения // Физ. мезомех. 2010. Т. 13, № 1. С. 47-59.

  21. Корнев В.М., Демешкин А.Г. Диаграмма квазихрупкого разрушения тел со структурой при наличии краевых трещин // ПМТФ. 2011. Т. 52, № 6. С. 152-164. (English version https://doi.org/10.1134/S0021894411060162)

  22. Корнев В.М. Критические кривые разрушения и эффективный диаметр структуры хрупких и квазихрупких материалов // Физ. мезомех. 2013. Т. 16, № 5. С. 25-34.

  23. Леонов М.Я., Панасюк В.В. Развитие мельчайших трещин в твердом теле // Прикладная механика. 1959. Т. 5, № 4. С. 391-401.

  24. Dugdale D.S. Yielding of steel sheets containing slits // J. Mech. Phys. Solid. 1960. Vol. 8. P. 100-104. https://doi.org/10.1016/0022-5096(60)90013-2

  25. Neuber G. Kerbspannunglehre: Grunglagen fur GenaueSpannungsrechnung. Springer-Verlag, 1937.160 S.

  26. Новожилов В.В. О необходимом и достаточном критерии хрупкой прочности // ПММ. 1969. Т. 33, № 2. С. 212-222. (English version https://doi.org/10.1016/0021-8928(69)90025-2)

  27. Anderson T.L. Fracture mechanics: Fundamentals and applications. CRC Press, 2005. 680 p.

  28. Gross D., Seelig T. Fracture mechanics. Springer, 2006. 320 p.

  29. Механика разрушения и прочность материалов / Под общ. ред. В.В. Панасюка. Киев: Наук. думка, 1988. Т. 2. Саврук М.П. Коэффициенты интенсивности напряжений в телах с трещинами. 620 c.

  30. Астафьев В.И., Радаев Ю.Н., Степанова Л.В. Нелинейная механика разрушения. Самара: Сам. ун-т, 2004. 632

  31. Ингленд А. Трещина между двумя разными средами // Тр. Амер. общ-ва инж.-механ. Прикладная механика. 1965. Т. 32, № 2. С. 165-168. (English version https://doi.org/10.1115/1.3625813)

  32. Эрдоган Ф. Распределение напряжений в связанных разнородных материалах с трещинами // Тр. Амер. общ-ва инж.-механ. Прикладная механика. 1965. Т. 32, № 2. С.169-177. (English version https://doi.org/10.1115/1.3625814)

  33. Райc Дж., Си Г. Плоские задачи о трещинах, расположенных на границе раздела двух сред // Тр. Амер. общ-ва инж.-механ. Прикладная механика. 1965. Т. 32, № 2. С. 186-192. (English version https://doi.org/10.1115/1.3625816)

  34. Sih G.C., Chen E.P. Cracks in composite materials. A compilation of stress solutions for composite systems with cracks. Springer, 1981. 620 p. https://doi.org/10.1007/978-94-009-8340-3

  35. Райс Дж. Не зависящий от пути интеграл и приближенный анализ концентрации деформации у вырезов и трещин // Тр. Амер. общ-ва инж.-механ. Прикладная механика. 1968. Т. 35, № 2. С. 340-350. (English version https://doi.org/10.1115/1.3601206)

  36. Черепанов Г.П. Вычисление инвариантных интегралов в особых точках // Вычислительные методы в механике разрушения / Под ред. С. Атлури. М.: Мир, 1990. С. 350-364.

  37. Gallo P., Berto F. Особенности J-интеграла в условиях упругопластической деформации для материалов, описываемых законом Рамберга-Осгуда // Физ. мезомех. 2015. Т. 18, № 5. С. 27-34. https://doi.org/10.1134/S1029959915040037

  38. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений / Под ред. Ю. Мураками. М.: Мир, 1990. Т. 1. 448 с.

  39. Астапов Н.С., Корнев В.М., Кургузов В.Д. Модель расслоения разномодульного биматериала с трещиной // Физ. мезомех. 2016. Т. 19, № 4. С. 49-57.

  40. Коробейников С.Н. Нелинейное деформирование твердых тел. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2000. 262 c.

  41. MARC 2018. Volume A: Theory and user information. MSC.Software Corporation, 2018. 1008 p.

  42. Кургузов В.Д., Корнев В.М., Астапов Н.С. Модель разрушения биматериала при расслоении. Численный эксперимент // МКМК. 2011. Т. 17, № 4. С. 462-473.

  43. Kornev V.M., Kurguzov V.D., Astapov N.S. Fracture model of bimaterial under delamination of elasto-plastic structured media // Appl. Compos. Mater. 2013. Vol. 20. P. 129-143. https://doi.org/10.1007/s10443-012-9259-6

  44. Кургузов В.Д., Немировский Ю.В. Моделирование динамических процессов забивки или извлечения свай из грунта // Изв. вузов. Строительство. 2011. № 7. С. 82-90.

  45. Кургузов В.Д., Немировский Ю.В. Математическая модель динамической вытяжки жесткопластического металлического волокна из металлокомпозита // Известия Алтайского государственного университета. 2012. № 1/1. С. 69-71.

Загрузки

Опубликован

2021-09-30

Как цитировать

Кургузов, В. Д., & Федорова, Н. В. (2021). Критерий упругопластического разрушения биметаллической пластины с краевой трещиной поперечного сдвига на границе соединения материалов. Вычислительная механика сплошных сред, 14(3), 333–348. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2021.14.3.28

Выпуск

Раздел

Статьи