25609

بررسي رفتار قطعات ترك دار تحت بارگذاري برشي-فشاري

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك طراحي كاربردي-گرايش جامدات

30 آبان 1400

جناب دكتر مجيدرضا آيت اللهي

مهندسي مكانيك

شكست قطعات ترك‌دار تحت بارگذاري برشي-فشاري و هم‌چنين با در نظر گرفتن اصطكاك صفحات ترك، از جمله پديده‌هايي است كه در علم مكانيك شكست به آن كم‌تر پرداخته شده‌است؛ اين پديده با تماس و برخورد صفحات ترك به يكديگر و به عبارتي منفي شدن مقدار ضريب شدت تنش حالت I همراه است كه عامل پديدار شدن پديده‌ي اصطكاك و اثرات آن است. نتايج محققين پيشين نشان مي‌دهد كه در ماده‌ي مورد بررسي در اين پژوهش، يعني پلي ‌متيل‌ متاكريلات، اصطكاك دو صفحه هم‌جنس آن با تنش نرمال نسبت عكس دارد. لذا براي آزمايش‌ها، از دو قطعه‌ي آزمايشگاهي ديسك دايروي با ترك مركزي و ديسك نيم‌دايره‌‌اي با ترك لبه‌اي استفاده شده است و هر دو قطعه به صورت تجربي و عددي و با بارگذاري برشي-فشاري آزموده شده‌اند. زاويه‌هاي مورد بررسي براي ديسك دايروي 25، 35، 45، 55 و 65 درجه و براي ديسك نيم‌دايره‌اي مقادير 30، 40، 50، 60 و 70 درجه را شامل مي‌شود كه اين زوايا به گونه‌اي انتخاب شده‌اند كه صفحات ترك‌هاي موجود در قطعات حتما با يكديگر در تماس باشند. در شبيه‌سازي‌هاي عددي در بستر المان محدود و در نرم‌افزار اباكوس، مقدار بار شكست و ضريب اصطكاك براي هر دو قطعه تحت دو معيار بيشينه‌ي تنش مماسي نقطه‌اي و بيشينه‌‌ي تنش مماسي خطي، با استفاده از روش سعي و خطا به‌دست آمده و طبقه‌بندي شده است. نتايج آزمايش‌هاي تجربي، رشد ترك در بارگذاري برشي-فشاري و پيروي كردن از تئوري مكانيك شكست الاستيك خطي را براي هر دو قطعه تاييد مي‌كند. نتايج بار شكست ناشي از آزمايش‌هاي تجربي با نتايج آزمايش‌هاي عددي مقايسه ‌مي‌گردد؛ كه مشاهده مي‌شود هردو معيار پيش‌بيني مناسبي از ميزان بار شكست داشته‌اند؛ به طوري كه ميزان خطا براي ديسك دايروي با معيار بيشينه‌ي تنش مماسي نقطه‌اي 7/5 درصد و با معيار بيشينه‌ي تنش مماسي خطي0/3 درصد گزارش مي‌گردد. هم‌چنين اين خطا براي ديسك نيم‌دايره‌اي با معيار بيشينه‌ي تنش مماسي نقطه‌اي 1/4 درصد و با معيار بيشينه‌ي تنش مماسي خطي 2/3 درصد مي‌باشد. به طور كلي مي‌توان از اين دو معيار تنش پايه براي تخمين بار شكست در انواع مختلف بارگذاري و با ظهور پديده‌ي اصطكاك استفاده نمود. نتايج حاصل شده نشان مي‌دهد كه ترك حتي با بروز مقدار منفي در ضريب شدت تنش حالت I و تماس صفحات ترك با يكديگر رشد مي‌يابد و هم‌چنين مي‌توان بار شكست ناشي از آن را با تئوري‌هاي مرسوم تخمين زد. در پايان مي‌توان بيان داشت كه اين پژوهش، مي‌تواند تاييدي بر فرضيه‌ي رشد ترك با چسبندگي صفحات ترك به يكديگر و موثر بودن پديده‌ي اصطكاك سطوح در بار شكست باشد؛ زيرا مشاهده مي‌گردد با افزايش تماس صفحات ترك، نيروي شكست نيز افزايش مي‌يابد.

1400/09/10

An investigation on a cracked body subjected to shear-compressive loading

11/21/2022 12:00:00 AM

Fracture of cracked parts under shear-compressive loading and considering the friction of crack faces is one of the phenomena that had not been investigated enough in the science of fracture mechanics. This phenomenon is associated with the contact and collision of crack faces with each other, in other words, the negative value of the stress intensity factor of mode I, which is the cause of this phenomenon of friction and its effects. By reviewing the literature, we can understand that the friction of the crack faces in the material we had used in this study, polymethyl methacrylate, had an inversely proportional relation to the normal stress. This research examined two laboratory specimens of a circular disk with a central crack and a semicircular disk with an edge crack. Both specimens were tested experimentally and numerically with a shear-compressive load. The studied crack angles include 25, 35, 45, 55, and 65 degrees for circular disk and 30, 40, 50, 60, and 70 degrees for the semicircular disk. These angles are selected in such a way that the cracks in the parts are in touch with each other. In numerical simulations based on finite element and Abaqus software, the fracture load and coefficient of friction for both specimens are obtained and classified using two criteria of maximum tangential stress and line method using trial and error method. The results of experimental tests confirm the crack growth in shear-compressive loading and follow the linear elastic fracture mechanics theory for both specimens. The results of the failure load due to experimental tests are compared with the numerical ones. It can be seen that both criteria had a good prediction of the failure rate; Thus, the error rate for a circular disk with a maximum tangential stress criterion of 5.7% and the line method criterion of 3.0% is reported. Also, this error for a semicircular disk with a maximum tangential stress criterion is 4.1% and the line method criterion of 3.2%. In general, these two essential stress criteria can be used to estimate the failure load in different types of loading and the emergence of friction. The results can confirm that cracking grows even with a negative value in the stress intensity factor of mode ɪ and the contact of the crack faces with each other. The failure load can also be estimated with conventional theories. Finally, it is observed that by increasing the contact length of crack faces, the operating force of failure also increases. Furthermore, it can be argued that this perusal refutes the hypothesis that cracks do not grow with the contact of crack faces and that the phenomenon of surface friction is ineffective in the failure load.

،قطعات ترك دار، , ،بارگذاري برشي-فشاري، , ،اصطكاك صفحات ترك، , ،ضريب شدت تنش حالت يك منفي، , ،نيروي شكست

؛Cracked specimens , ؛Shear-compressive loading , ؛Friction of crack faces , ؛Negative mode I stress intensity factor of mode I , ؛Fracture load