Проблемы машиностроения и надежности машин, 2022, № 5, стр. 43-52
Использование двухпараметрического критерия для прогнозирования траектории роста сквозной трещины в сжатом диске
А. М. Покровский 1, *, Ю. Г. Матвиенко 2, М. П. Егранов 1
1 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана
Москва, Россия
2 Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
Москва, Россия
* E-mail: pokrovsky@bmstu.ru
Поступила в редакцию 10.02.2022
После доработки 20.05.2022
Принята к публикации 21.06.2022
- EDN: HJIZEA
- DOI: 10.31857/S0235711922050133
Аннотация
В настоящее время оценка прочности и живучести конструкций с трещинами представляет собой актуальный вопрос современной механики разрушения, прогнозирование траектории трещины – одна из задач такого анализа. В настоящей работе на примере диаметрально сжимаемого круглого диска со сквозной центральной трещиной (бразильского диска) из полиметилметакрилата решена задача прогнозирования траектории магистральной трещины с помощью критерия максимальных тангенциальных напряжений в двух постановках. Показано, что учет Т-напряжений в двухпараметрическом критерии повышает точность моделирования траектории роста трещины, по сравнению с однопараметрическим критерием. Получены результаты значения угла страгивания трещины с использованием аналитических формул и численного моделирования методом конечных элементов. Проведена верификация полученных результатов расчетов посредством сравнения с экспериментальными данными.
Распространение трещин является критически важным вопросом в инженерной практике из-за его сильного влияния на качество и работоспособность конструкций. Зачастую поле напряжений в ответственных элементах конструкций неоднородно, поэтому построение траектории трещины при смешанном нагружении является актуальной задачей современной механики разрушения.
В настоящее время предложен и широко используется целый ряд критериев разрушения. Эрдоган (Erdogan) и Си (Sih) предложили критерий максимальных тангенциальных напряжений (МТН) [1], Хусейн (Hussain) и соавторы – критерий максимальной скорости высвобождения упругой энергии деформации [2], Си – критерий минимума плотности энергии деформации [3]. Физическое обоснование критериев различно и область их применения может варьироваться в зависимости от материала, вида конструкции или детали. Локальные критерии позволяют получить направление роста трещины в малой окрестности около вершины трещины, полную траекторию можно построить с помощью итерационных алгоритмов.
Несмотря на то, что результаты, полученные с помощью описанных критериев, в основном, хорошо соотносятся с экспериментальными данными, все равно остается ряд задач, в которых наблюдаются значительные расхождения между теоретическими и экспериментальными данными. Одной из причин этого расхождения является использование только сингулярных членов в разложении функции напряжений в окрестности вершины трещины. Вильямс (Williams) [4] предложил разложение, в которое кроме сингулярных членов входит несингулярный член, называемый Т-напряжениями, которые лежат в плоскости трещины и не зависят от расстояния до ее вершины.
Вильямс и Эвинг (Ewing) впервые предложили критерий максимальных тангенциальных напряжений с учетом КИН и Т-напряжений в задаче о наклонной трещине в пластине [5]. Позднее Смит (Smith) и соавторы развили этот подход и представили обобщенный критерий максимальных тангенциальных напряжений [6]. Они показали, что учет Т-напряжений оказывает существенное влияние на начальный угол роста трещины и момент начала разрушения. Значительный вклад в изучение влияния Т‑напряжений на трещиностойкость разных материалов и конструкций внесли Аятоллахи (Ayatollahi), Алиха (Aliha) и другие авторы [7–9]. Подобным образом развиваются и энергетические критерии [10, 11].
Влияние Т-напряжений на трещиностойкость в последнее время исследуются все активнее. Здесь, в первую очередь, необходимо отметить развиваемую в работах [12–16] двухпараметрическую механику разрушения. Обстоятельный обзор и обобщение полученных результатов по изучению Т-напряжений приведены в монографии [12] и статье [17].
Целью настоящей статьи является сопоставление однопараметрического и двухпараметрического критерия МТН на примере задачи по моделированию траектории роста трещины обобщенного нормального отрыва в бразильском диске.
Постановка задачи. Одним из образцов для определения механических характеристик хрупких материалов является бразильский диск (БД) – диаметрально сжимаемая круглая пластинка со сквозной центральной трещиной (рис. 1).
Особенностью БД является тот факт, что при изменении относительной длины трещины ${{\rho }} = \frac{a}{R}$ и угла ее наклона к линии действия сжимающей силы $F$, можно получить любую смешанность нагружения – от нормального отрыва до поперечного сдвига.
В статье рассматриваются результаты испытаний серии образцов со следующими геометрическими характеристиками: радиус диска $R = 40$ мм, полудлина трещины $a = 10$ мм, толщина диска $t = 4$ мм, угол наклона трещины $\alpha $ ∈ [0°, 7°, 15°, 22°, 30°, 45°, 60°, 75°].
Материал диска – полиметилметакрилат (ПММА), его механические характеристики: модуль упругости $E = 3000$ МПа, предел прочности при сжатии ${{\sigma }_{B}} = 70$ МПа, вязкость разрушения ${{K}_{{{\text{I}}c}}} = 40$ ${\text{МПа}}\sqrt {{\text{мм}}} $.
Формулировка критериев МТН. Вначале остановимся на однопараметрическом методе. При использовании разложения Вестергарда для описания напряженного состояния у вершины трещины угол страгивания θ* можно вычислить по формуле [18]
(1)
$\theta * = 2\operatorname{arctg} \left( {\frac{{1 - \sqrt {1 + 8{{\lambda }^{2}}} \operatorname{sign} \left( {{{K}_{{\text{I}}}}} \right)}}{{4\lambda }}} \right),$Выражение для тангенциальных напряжений в полярной системе координат имеет вид [4]
(2)
${{\sigma }_{\theta }}\left( {r,\theta } \right) = \frac{1}{{\sqrt {2\pi r} }}\cos \frac{\theta }{2}\left[ {{{K}_{{\text{I}}}}{{{\cos }}^{2}}\frac{\theta }{2} - \frac{3}{2}{{K}_{{{\text{II}}}}}\sin \theta } \right],$Вводя понятие эффективного КИН, и записывая формулу для тангенциальных напряжений в виде
можно получить выражение для эффективного КИНПриравнивая, согласно силовому критерию разрушения Ирвина эффективный КИН вязкости разрушения ${{K}_{{{\text{I}}c}}}$, приходим к условию разрушения
(3)
${{K}_{{\text{э}}}} = \cos \frac{{\theta {\kern 1pt} *}}{2}\left[ {{{K}_{{\text{I}}}}{{{\cos }}^{2}}\frac{{\theta {\kern 1pt} *}}{2} - \frac{3}{2}{{K}_{{{\text{II}}}}}\sin \theta {\kern 1pt} *} \right] = {{K}_{{{\text{I}}с}}}.$Далее рассмотрим двухпараметрический метод. В этом случае для описания напряженного состояния у вершины трещины используют разложение Вильямса
Коэффициенты при сингулярных членах в разложении Вильямса связаны с КИН следующими соотношениями
Первый несингулярный член разложения – Т-напряжения определяется выражением
Запишем формулу для тангенциальных напряжений в вершине трещины, удерживая два первых слагаемых [12]
(4)
${{\sigma }_{\theta }}\left( {r,\theta } \right) = \frac{1}{{\sqrt {2\pi r} }}\cos \frac{\theta }{2}\left[ {{{K}_{{\text{I}}}}{{{\cos }}^{2}}\frac{\theta }{2} - \frac{3}{2}{{K}_{{{\text{II}}}}}\sin \theta } \right] + T{{\sin }^{2}}\theta .$Согласно критерию МТН, трещина распространяется вдоль линии действия максимальных растягивающих тангенциальных напряжений, поэтому
(5)
${{\left. {\frac{{\partial {{\sigma }_{\theta }}}}{{\partial \theta }}} \right|}_{{\theta = \theta *}}} = 0.$Подставляя формулу (4) в условие (5), и заменяя r на rc, получаем уравнение для вычисления угла страгивания трещины $\theta {\kern 1pt} *$
(6)
${{K}_{{\text{I}}}}\sin \theta {\kern 1pt} * + \;{{K}_{{{\text{II}}}}}\left( {3\cos \theta {\kern 1pt} * - \;1} \right) - \frac{{16}}{3}T\sqrt {2\pi {{r}_{c}}} \sin \frac{{\theta {\kern 1pt} *}}{2}\cos \theta * = 0,$Двухпараметрическое условие разрушения получаем аналогично тому, как это было сделано в однопараметрическом подходе. Отличие заключается лишь в выражении для тангенциальных напряжений. Условие разрушения, в который входит эффективный КИН будет выглядеть следующим
(7)
${{K}_{{\text{э}}}} = \cos \frac{{\theta {\kern 1pt} *}}{2}\left[ {{{K}_{{\text{I}}}}{{{\cos }}^{2}}\frac{{\theta {\kern 1pt} *}}{2} - \frac{3}{2}{{K}_{{{\text{II}}}}}\sin \theta {\kern 1pt} *} \right] + T\sqrt {2\pi {{r}_{c}}} {{\sin }^{2}}\theta * = {{K}_{{{\text{I}}c}}}.$Подставляя в уравнение (7) размер зоны предразрушения, и принимая локальную прочность материала за предел прочности, окончательно получим условие разрушения в следующем виде
(8)
$\cos \frac{{\theta {\kern 1pt} *}}{2}\left[ {{{K}_{{\text{I}}}}{{{\cos }}^{2}}\frac{{\theta {\kern 1pt} *}}{2} - \frac{3}{2}{{K}_{{{\text{II}}}}}\sin \theta {\kern 1pt} *} \right] + T\frac{{{{K}_{{{\text{I}}с}}}}}{{{{\sigma }_{{\text{в}}}}}}{{\sin }^{2}}\theta * = {{K}_{{{\text{I}}c}}}.$Таким образом, в двухпараметрическое условие разрушения, кроме ${{K}_{{\text{I}}}}$, ${{K}_{{{\text{II}}}}}$ и ${{K}_{{{\text{I}}c}}}$ входят еще и Т-напряжения и предел прочности. Для моделирования траектории распространения трещины при использовании однопараметрического МТН необходимо вычислять КИН первого и второго типов для каждого шага продвижения трещины, а при использовании двухпараметрического МТН еще и Т-напряжения.
Расчет параметров механики разрушения. КИН и Т-напряжения можно определить численно с помощью МКЭ или с помощью аналитических соотношений. Аткинсон получил уравнения для нахождения ${{K}_{{\text{I}}}}$ и ${{K}_{{{\text{II}}}}}$ в бразильском диске [20],
(9)
$\begin{gathered} {{K}_{{\text{I}}}} = \frac{P}{{\pi Rt}}\sqrt {\pi a} \,\mathop \sum \limits_{i = 1}^n \,{{T}_{i}}{{\left( {\frac{a}{R}} \right)}^{{2i - 2}}}{{A}_{i}}\left( \theta \right), \\ {{K}_{{{\text{II}}}}} = - 2\frac{P}{{\pi Rt}}\sqrt {\pi a} \sin 2\theta \,\mathop \sum \limits_{i = 1}^n \,{{S}_{i}}{{\left( {\frac{a}{R}} \right)}^{{2i - 2}}}{{B}_{i}}\left( \theta \right), \\ \end{gathered} $Соотношение для определения Т-напряжений в бразильском диске получено авторами [21, 22]
(10)
$T = \frac{P}{{\pi Rt}}{{f}_{1}} + 2\frac{P}{{\pi Rt}}\mathop \sum \limits_{i = 1}^n \left( {{{C}_{i}}\left( \theta \right){{f}_{i}} - {{C}_{i}}\left( \theta \right) - {{D}_{i}}\left( \theta \right)} \right){{\left( {\frac{a}{R}} \right)}^{{2\left( {i - 1} \right)}}},$При продвижении трещины, она становится не прямолинейной, и аналитические методы расчета КИН и Т-напряжений становятся непригодными. Поэтому при моделировании траектории распространения трещины КИН и Т-напряжения вычислялись с помощью встроенной функции, основанной на вычислении М-интеграла в программном комплексе ANSYS Workbench. Расчетная модель состояла из 20614 8-узловых плоских элементов (рис. 2). На рис. 3 приведено сравнение КИН и Т-напряжений, полученных по аналитическим формулам (9), (10) и численно с помощью МКЭ для исходной трещины при внешней нагрузке ${{F}_{1}} = 1$ H.
Значение КИН (рис. 3), рассчитанное численно и аналитически, хорошо совпадают. Т-напряжения различаются значительно для углов наклона трещины $\theta > 28^\circ $. Как видно из рисунка именно при этом угле наклона трещины значение ${{K}_{{\text{I}}}}$ становится отрицательным, а при отрицательных значениях ${{K}_{{\text{I}}}}$, как отмечено в работе [20], аналитическое решение (10) не справедливо.
Расчет угла страгивания трещины и разрушающей нагрузки. С помощью уравнений (1) и (6) определены углы страгивания трещины θ* при использовании аналитического и численного расчета КИН и Т-напряжений. Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными приведено на рис. 4. Как видно из рисунка двухпараметрический критерий дает немного лучшие результаты по сравнению с экспериментальными данными.
Разрушающая нагрузка вычисляется на основе значений КИН и Т-напряжений, полученных с помощью аналитических соотношений и численного расчета МКЭ. Эффективный КИН определяется по уравнениям (3) и (7). Ввиду линейности рассматриваемой задачи, разрушающую нагрузку можно вычислить с помощью следующего уравнения
Сравнение полученных результатов с экспериментальными данными приведено на рис. 5.
Моделирование траектории трещины. Моделирование траектории трещины проводилось с использованием шагового алгоритма, который заключается в следующем: 1) создается конечно-элементная модель диска с исходной трещиной; 2) для этой трещины вычисляются KI, KII и Т-напряжения и определяется угол, характеризующий направление роста трещины относительно исходной ориентации, по формулам (1) для однопараметрического критерия и (6) для двухпараметрического; 3) под этим углом трещина продлевается на заданный шаг, который вычисляется в процессе численного эксперимента. Создается конечно-элементная модель диска с подросшей трещиной; 4) все повторяется, начиная с п. 2. Моделирование продолжается пока трещина не пройдет через весь диск.
Распределение тангенциальных напряжений и угол распространения трещины вблизи ее вершины для трех шагов описанного алгоритма приведены на рис. 6.
Для выбора шага по длине трещины расчеты проводятся с разными шагами и сравнивается траектория. Если при уменьшении шага траектория не изменяется, значит можно использовать данный шаг.
В качестве иллюстрации работы разработанных программных средств на рис. 7 представлены траектории роста трещины в диске с углом наклона трещины ${{\alpha }} = 45^\circ $, полученные с различным шагом по длине трещины с помощью однопараметрического и двухпараметрического критериев МТН. В табл. 1 приведено изменение КИН, Т‑напряжений и угла θ* в процессе роста трещины для двухпараметрического критерия при шаге 3 мм, данные в столбцах А относятся к однопараметрическому критерию, а в столбцах Б – к двухпараметрическому.
Таблица 1.
Шаг, № | ${{K}_{{\text{I}}}}$, ${\text{МПа}}\sqrt {{\text{мм}}} $ | ${{K}_{{{\text{II}}}}}$, ${\text{МПа}}\sqrt {{\text{мм}}} $ | Т-напряжения, МПа | ${{K}_{{\text{э}}}}$, ${\text{МПа}}\sqrt {{\text{мм}}} $ | θ*, ° | ||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
А | Б | А | Б | А | А | Б | А | Б | |
1 | –28.34 | –24.94 | –46.81 | –41.19 | 7.64 | 40.29 | 40.26 | 82.3 | 83.3 |
2 | 46.13 | 40.46 | 0.59 | 1.46 | –14.35 | 46.14 | 40.5 | –1.5 | –2.57 |
3 | 42.68 | 37.42 | 8.91 | 8.06 | –12.7 | 45.29 | 39.03 | –21.9 | –15.1 |
4 | 47.67 | 40.96 | –1.31 | 5.72 | –18.2 | 47.72 | 41.63 | 3.2 | –9.0 |
5 | 52.20 | 46.22 | 6.19 | 2.31 | –22.64 | 53.28 | 46.31 | –13.2 | –3.1 |
6 | 59.45 | 52.48 | –6.71 | 1.46 | –27.23 | 60.56 | 52.51 | 12.6 | –1.7 |
7 | 66.19 | 60.18 | 14.29 | 1.25 | –31.93 | 70.49 | 60.20 | –22.5 | –1.2 |
8 | 74.78 | 69.60 | –22.13 | 0.77 | –38.64 | 83.44 | 69.61 | 28.8 | –0.6 |
9 | 79.15 | 81.31 | 38.74 | 1.71 | –48.53 | 100.8 | 81.34 | –39.8 | –1.2 |
10 | 87.13 | 97.06 | –56.54 | 1.97 | –63.81 | 124.1 | 97.09 | 45.6 | –1.1 |
11 | 87.72 | 122.49 | 93.65 | 2.04 | –96.23 | 163.3 | 122.5 | –55.0 | –0.9 |
12 | 53.02 | 196.88 | –182.8 | 10.34 | –256.81 | 241.4 | 193.1 | 65.0 | –1.9 |
Оба критерия (рис. 7) позволяют получить схожую траекторию трещины. Тем не менее, при любом из рассмотренных шагов прироста трещины, траектория, построенная с помощью двухпараметрического критерия, учитывающего Т-напряжения, является более гладкой. Кроме того, из рисунка видно, что траектории, полученные по двухпараметрическому критерию МТН для шагов 3 и 5 мм практически не отличаются, что свидетельствует об адекватном моделировании траектории, начиная с шага, равного 5 мм.
На рис. 8 представлено сравнение численного моделирования траектории роста трещины с использованием двухпараметрического критерия с данными эксперимента. Из рисунка видно, что численные результаты хорошо согласуются с экспериментальными данными.
Заключение. В настоящей статье с помощью двух формулировок критерия максимальных тангенциальных напряжений проведено моделирование разрушения бразильского диска, определены разрушающая нагрузка, угол страгивания трещины и траектория трещины, достоверность полученных результатов подтверждена сравнением с данными эксперимента. В результате проведенного исследования можно сформулировать следующие выводы: 1. Учет Т-напряжений в критерии разрушения позволяет получить более точное значение угла страгивания трещины и разрушающей нагрузки. 2. Траектория трещины обобщенного нормального отрыва, построенная с учетом Т-напряжений является более гладкой и лучше совпадает с экспериментальной.
Список литературы
Erdogan F., Sih G.C. On the Crack Extension in Plates under Plane Loading and Transverse Shear // J. of Basic Engineering. 1963. V. 85 (4). P. 519.
Hussain M.A., Pu S.L., Underwood J. Strain Energy Release Rate for a Crack Under Combined Mode I and Mode II // Proceedings of the 1973 National Symposium on Fracture Mechanics, Maryland, 27–29 August, 1973. P. 2.
Sih G.C. Strain-energy-density factor applied to mixed mode crack problems // Int. J. of Fracture. 1974. V. 10 (3). P. 305.
Williams M.L. On the Stress Distribution at the Base of a Stationary Crack // J. of Applied Mechanics. 1957. V. 24 (1). P. 109.
Williams J.G., Ewing P.D. Fracture under complex stress – the angled crack problem // Int. J. of Fracture. 1972. V. 26 (8). P. 441.
Smith D.J., Ayatollahi M.R., Pavier M.J. The role of T-stress in brittle fracture for linear elastic materials under mixed-mode loading // Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures. 2001. V. 24 (2). P. 137.
Ayatollahi M.R., Aliha M.R.M. On determination of mode II fracture toughness using semi-circular bend specimen // Int. J. of Solids and Structures. 2006. V. 43 (17). P. 5217.
Ayatollahi M.R., Aliha M.R.M. Mixed mode fracture in soda lime glass analyzed by using the generalized MTS criterion // Int. J. of Solids and Structures. 2009. V. 46 (2). P. 311.
Saghafi H., Ayatollahi M.R., Sistaninia M. A modified MTS criterion for mixed mode fracture toughness assessment of brittle materials // Material Science and Engineering A. 2010. V. 527 (21). P. 5624.
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. V. 79. P. 70.
Ayatollahi M.R., Rashidi Moghaddam M., Razavi S.M.J., Berto F. Mode I fracture analysis of PMMA using modified energy-based models // Physical Mesomechanics. 2015. V. 18 (4). P. 13.
Матвиенко Ю.Г. Двухпараметрическая механика разрушения. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2020. 208 с.
Матвиенко Ю.Г. Двухпараметрическая механика разрушения в современных проблемах прочности // Проблемы машиностроения и надёжности машин. 2013. № 5. С. 37.
Степанова Л.В. Влияние высших приближений в асимптотическом разложении М. Уильямса поля напряжений на описание напряжённо-деформированного состояния у вершины трещины. Часть I // Вестник Самарского университета. Естественнонаучная серия. 2019. Т. 25. № 1. С. 63.
Степанова Л.В. Влияние высших приближений в асимптотическом разложении М. Уильямса поля напряжений на описание напряжённо-деформированного состояния у вершины трещины. Часть II // Вестник Самарского университета. Естественнонаучная серия. 2019. Т. 25. № 1. С. 80.
Степанова Л.В., Росляков П.С. Многопараметрический анализ поля напряжений у вершины трещины // Вестник Самарского университета. Естественнонаучная серия. 2015. Т. 10. № 132. С. 52.
Gupta M., Alderliesten R.C., Benedictus R. A review of T-stress and its effects in fracture mechanics // Engineering Fracture Mechanics. 2014. V. 132. P. 218.
Панасюк В.В. Предельное равновесие хрупких тел с трещинами. Киев: Наукова думка, 1968. 246 с.
Schmidt R.A. A microcrack and its significance to hydraulic fracturing and fracture toughness testing // Proceedings 21st US Symposium on Rock Mechanics, Rolla, Missouri, 28–30 May 1980. P. 581.
Atkinson C., Smelser R.E., Sanchez J. Combined mode fracture via the cracked Brazilian disc test // Int. J. of Fracture. 1982. V. 18. P. 279.
Fett T. Stress intensity factors and T-stress for internally cracked circular disks under various boundary conditions // Engineering Fracture Mechanics. 2001. V. 68 (9). P. 1119.
Hua W., Li Y., Dong S., Li N., Wang Q. T-stress for a centrally cracked Brazilian disc under confining pressure // Engineering Fracture Mechanics. 2015. V. 149 (11). P. 37.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Проблемы машиностроения и надежности машин