Численное моделирование распространения полуэллиптической трещины усталости на основании оценки накопления повреждений
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2015.8.4.32Ключевые слова:
полуэллиптическая трещина, МКЭ, усталость, моделирование роста трещин, накопление повреждений, эффект раскрытия, деформационный критерий разрушения, КИНАннотация
Моделирование развития пространственных трещин усталости для оценки остаточного ресурса элементов конструкций в настоящее время практически полностью опирается на аппарат линейно-упругой механики разрушения (ЛУМР). При этом, как правило, предполагается, что фронт трещины принципиально не меняет свою форму, что не всегда подтверждается экспериментом. Кроме того, возможности ЛУМР становятся ограниченными при наличии пластической деформации, являющейся главным фактором процесса разрушения. Введение в разрешающие уравнения коэффициентов интенсивности напряжений (КИН) в случае пространственных трещин затруднено из-за изменения напряженного состояния вдоль контура фронта трещины. В работе предлагается подход к моделированию эволюции пространственной трещины усталости, основывающийся на деформационном критерии разрушения и конечно-элементном описании накопления повреждений. Упругопластическое поведение материала представляется обобщенной циклической кривой. Подход позволяет учитывать эффект раскрытия трещины, нелинейный характер накопления повреждений, а также увеличение податливости материала, связанное с развитием его повреждения. Приведен способ определения параметра раскрытия трещины в различных точках фронта в случае трехмерной задачи в предположении, что трещина открывается в тот момент, когда напряжение, перпендикулярное плоскости распространения трещины, становится в точке положительным. Введенная методика апробируется на примере оценки развития полуэллиптической трещины от начального надреза в стальном компактном образце. Для сопоставления исследован рост трещины в рамках ЛУМР. Показано, что при различных начальных надрезах фронт трещины в какой-то момент стабилизируется, поэтому форма начального надреза при рассматриваемом нагружении фактически не влияет на его эволюцию. Результаты, полученные авторами данной работы, хорошо согласуются с известными из литературы экспериментальными данными.
Скачивания
Библиографические ссылки
Petinov S.V., Guchinsky R.V. Fatigue assessment of ship superstructure at expansion joint // Int. J. of Maritime Engineering. - 2013. - Vol. 155, part A4. - P. 201-209.
2. Carter B.J., Wawrzynek P.A., Ingraffea A.R. Automated 3-D crack growth simulation // Int. J. Numer. Meth. Eng. - 2000. - Vol. 47, no. 1-3. - P. 229-253. DOI
3. Branco R., Antunes F.V., Costa J.D., Barbosa J. Numerical modelling of fatigue crack growth in shafts under tension and bending // Proc of the 3rd International Conference on Integrity, Reliability and Failure. IRF’2009, Porto, Portugal, 20-24 July, 2009. - Chapter XVIII. - P. 553-565.
4. Fawaz S.A., Andersson B., Newman J.C., Jr. Experimental verification of stress intensity factor solutions for corner cracks at a hole subject to general loading // Proc. of the 22nd Symposium of the International Committee on Aeronautical Fatigue. ICAF, Lucerne, Switzerland, 7-9 May, 2003. - P. 31.
5. Newman J.C., Jr., Raju I.S. Analyses of surface cracks in finite plates under tension or bending loads. - NASA TP-1578, 1979. - 46 p.
6. Chahardehi A., Brennan F.P., Han S.K. Surface crack shape evolution modeling using an RMS SIF approach // Int. J. Fatigue. - 2010. - Vol. 32, no. 2. - P. 297-301. DOI
7. Королев И.К., Петинов С.В., Фрейдин А.Б. Численное моделирование накопления повреждений и развития усталостной трещины в упругих материалах // Вычисл. мех. сплош. сред. - 2009. - Т. 2, № 3. - С. 34-43. DOI
8. Guchinsky R.V., Petinov S.V. Fatigue of fillet-welded joint assessment by the FEA simulation of damage accumulation // Инженерно-строительный журнал. - 2011. - № 4. - С. 5-9. DOI
9. Shi K., Cai L., Chen L., Bao C. A theoretical model of semi-elliptic surface crack growth // Chinese Journal of Aeronautics. - 2014. - Vol. 27, no. 3. - P. 730-734. DOI
10. Glinka G. A cumulative model of fatigue crack growth // Int. J. Fatigue. - 1982. - Vol. 4, no. 2. - P. 59-67. DOI
11. Ellyin F, Fakinlede C.O. Probabilistic simulation of fatigue crack growth by damage accumulation // Eng. Fract. Mech. - 1985. - Vol. 22, no. 4. - P. 697-712. DOI
12. De Castro J.T.P., Meggiolaro M.A., de Oliveira Miranda A.C. Fatigue crack growth predictions based on damage accumulation calculations ahead of the crack tip // Comp. Mater. Sci. - 2009. - Vol. 46, no. 1. - P. 115-123. DOI
13. Rudd W., Shuter D. Properties and service performance. Studies of the mechanism of history effects in fatigue and corrosion fatigue. - Luxembourg: Office for Official Publications of the European Communities, 1997. - 172 p.
14. Махутов Н.А. Деформационные критерии разрушения и расчет элементов конструкций на прочность. - М.: Машиностроение, 1981. - 272 c.
15. Marco S.M., Starkey W.L. A concept of fatigue damage // Transactions of the ASME. - 1954. - Vol. 76. - P. 627-632.
16. Lemaitre J.A., Desmorat R. Engineering damage mechanics: ductile, creep, fatigue and brittle failures. - Berlin: Springer Verlag, 2005. - 402 p.
17. Elber W. Fatigue crack closure under cyclic tension // Eng. Fract. Mech. - 1970. - Vol. 2, no. 1. - P. 37-44. DOI
18. Wu J., Ellyin F. A study of fatigue crack closure by elastic-plastic finite element analysis for constant-amplitude loading // Int. J. Fracture. - 1996. - Vol. 82, no. 1. - P. 43-65. DOI
19. Skinner J.D, Jr. Finite element predictions of plasticity-induced fatigue crack closure in three-dimensional cracked geometries / Thesis for the Degree of Master of Science in Mechanical Engineering. - Mississippi State University, 2001. - 119 p.
20. Fleck N.A., Smith I.F.C., Smith R.A. Closure behaviour of surface cracks // Fatigue Fract. Eng. M. - 1983. - Vol. 6, no. 3. - P. 225-239. DOI
21. Toribio J., Matos J.C., Gonzalez B., Escuadra J. Modelling of crack path evolution in round bars under cyclic tension and bending // Proceedings of 4th international conference on fatigue crack paths. Gaeta, Italy, 19-21 September, 2012. - P. 513-520.
22. Soboyejo W.O., Knott J.F. An investigation of crack closure and the propagation of semi-elliptical fatigue cracks in Q1N (HY80) pressure vessel steel // Int. J. Fatigue. - 1995. - Vol. 17, no. 8. - P. 577-581. DOI
23. Справочник по коэффициентам интенсивности напряжений: в 2-х томах / Под ред. Ю. Мураками. - М.: Мир, 1990. - Т. 2. - 568 с.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2015 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.