18828

۱۸۸۲۸

بررسي شكست اجسام داراي شيار V شكل با سوراخ انتهايي تحت بارگذاري برشي- فشاري

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك جامدات - طراحي كاربردي

دي ماه 1396

دكتر آيت اللهي

دكتر ترابي

مكانيك

در پژوهش حاضر، شكست ترد شيار V شكل با سوراخ انتهايي تحت بارگذاري مود تركيبي I/II با مشاركت مود I منفي در دو حالت تجربي و تئوري مورد بررسي قرار گرفته است. نمونه¬ي ديسك برزيلي داراي V شكل با سوراخ انتهايي ساخته شده از نوعي پلي¬استايرن به نام GPPS، كه توسط پارامترهاي مختلف هندسي يعني زاويه دهانه شيار و شعاع نوك شيار مشخص، به منظور انجام آزمايش¬هاي شكست تحت بارگذاري مود تركيبي I/II با مشاركت مود І منفي مورد استفاده قرار گرفته است. با توجه به نتايج تحليل¬هاي المان محدود، نتيجه-گيري شد كه پنج ناحيه بارگذاري مختلف در نمونه¬هاي ديسك برزيلي شياردار وجود دارد كه عبارتند از: 1) مود I كششي خالص 2) بارگذاري مركب I/II با شرايط مود I مثبت 3) مود برشي خالص 4) بارگذاري مركب I/II با شرايط مود I منفي 5) ناحيه¬اي كه شكست از شيارهاي فرعي آغاز مي شود. در واقع ارزيابي بارگذاري مود تركيبي برشي فشاري بر روي يك ماده¬ي ترد جديد، هدف اصلي در اين پايان¬نامه مي¬باشد. در مجموع 81 آزمايش شكست در دماي اتاق صورت گرفته و نتايج بار و زاويه شروع شكست تجربي براي نمونه¬هاي تجربي گزارش شده است. به منظور پيش¬بيني نتايج تجربي، دو معيار شكست ترد مبتني بر تنش، به نام¬هاي تنش محيطي بيشينه شيار V شكل با سوراخ انتهايي(VO) و تنش ميانگين شيار V شكل با سوراخ انتهايي (VO) ارائه شده است. همچنين فواصل¬ بحراني براي هر كدام از معيارهاي تنش¬پايه¬اي، بر اساس دو روش متفاوت محاسبه شده است؛ به اين معني كه چهار نوع منحني پيش¬بيني شكست توسط اين نظريه¬ها به دست مي¬آيد. علاوه بر اين، مدلي جديد بر مبناي معيار چگالي انرژي كرنشي در قالب يك فرم حل بسته به منظور پيش-بيني مقادير بار شكست تجربي ارائه شده است كه در واقع يكي ديگر از نوآوري¬هاي اين پايان¬نامه مي¬باشد. در پايان نشان داده شد كه، نتايج حاصل از معيارهاي شكست تنش¬پايه¬اي مبتني بر فواصل بحراني تئوري و تجربي به ترتيب با درصد اختلاف حدودا 11 و 6 درصد نتايج تجربي را پيش¬بيني كردند. همچنين معيارهاي بر پايه¬¬ي انرژي با دقت حدودا 90 درصد به پيش‌بيني نتايج تجربي بار شكست پرداختند. در جمع¬بندي كلي معلوم گرديد كه، معيار تنش ميانگين مبتني بر فاصله بحراني تجربي مناسب¬ترين معيار جهت ارزيابي شكست نمونه¬هاي آزمايش¬شده در اين پژوهش تجربي مي¬باشد.

1397/02/24

1/16/2018 12:00:00 AM

The present research, dealing with investigation of brittle fracture in the well-known Brazilian disk weakened by V-notches with end holes made of general-purpose Polystyrene (GPPS), called VO-BD, under mixed mode loading with negative mode I contributions. The finite element analyses revealed that five cases of loading conditions exist in the VO-BD specimen as follows: (i) pure positive mode I loading; (ii) mixed mode Ι/ΙΙ loading with positive mode I conditions; (iii) pure mode ΙΙ loading; (iv) mixed mode Ι/ΙΙ loading with negative mode I conditions, and finally; (v) when the loading angle gradually increases from βc to 90°, the specimen breaks from the edge of the central slit, while experiencing still negative mode I conditions. In fact, investigation of mixed mode loading with negative mode I condition on the new brittle material is the main purpose of this thesis. Two well-established stress-based failure criteria, namely, VO-MTS which was established based on the maximum tangential stress criterion (MTS) criterion, and VO-MS was extension of the mean stress (MS) failure criterion. Both the theoretical critical distances corresponding to sharp cracks and notches and the experimental critical distances regarding to brittle fracture test results of the VO-BD specimens under pure mode I, were utilized in order to anticipate fracture loads. To evaluate validation of the criteria, the predicted fracture loads of the stress-based criteria corresponding both the experimental and theoretical critical distances were compared with large number of experimental data collected from 81 new brittle fracture tests carried on the Brazilian disk containing VO-notches made of GPPS specimens with various notch angles and notch radii under pure tensile mode I and mixed mode loading with negative mode I contributions. The theoretical predicted results coincide to the experimental data with good accuracy. The predicted fracture loads of the VO-MS criterion regarding the experimental critical distances has most accuracy to the experimental results. Moreover, two energy-based brittle fracture criteria, namely the averaged strain energy density (ASED) and averaged strain energy density based on the equivalent factor concept (ASED-EFC) are proposed to predict the experimentally obtained fracture loads of the tested GPPS specimens. Additionally, the fracture initiation angles of the tested VO-BD specimens are predicted by using ASED criterion. The finite element (FE) analyses, as well as the experimental observations, show that although brittle fracture in the specimens under mixed mode I/II loading takes place from the applied-load side of the notch border by local tensile stresses, the notch bisector line and the other side of the notch border sustain compressive stresses. In fact, this phenomenon states the concept of mixed mode I/II loading with negative mode I contributions. Finally, it is shown that good agreement exists between the experimental results and the theoretical predictions of the two energy-based fracture criteria.