30586

تأثير اصطكاك وجوه ترك بر استحكام شكست آسفالت تحت بارگذاري مركب

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1400

1402/12/12

دكتر مجيدرضا آيتاللهي

دكتر سجاد پيرمحمد

مهندسي مكانيك

مشاهدات تجربي رفتار ترك‌خوردگي مواد شكننده سخت، مانند بتن، سنگ‌ها، استخوان و پليمرهاي شيشه‌اي نشان داده است كه تصوير واقعي بسيار پيچيده‌تر از تصوير ايده آل است. براي بررسي اثر اصطكاك وجوه ترك در آزمون‌هاي شكست، لازم است ضريب اصطكاك وجوه‌ ترك بين مواد مختلف مشخص شود. لذا در اين پژوهش، دستگاه آزمايش اصطكاك مبتني بر استاندارد ASTM D2394-05 ساخته شد و مقدار ضريب اصطكاك بين دو سطح برش خورده‌ي آسفالت به دست آمد. زماني كه مساحت سطح تماس 900 ميلي‌متر مربع و نرخ بارگذاري (سرعت پيشروي) 3 ميلي‌متر بر دقيقه باشد؛ تنش نرمال با ضريب اصطكاك رابطه مستقيم دارد و با افزايش مقدار تنش نرمال، ضريب اصطكاك افزايش مي‌يابد. همچنين، افزايش سرعت بارگذاري منجر به افزايش ضريب اصطكاك مي‌شود. در ادامه، نمونه‌هاي نيم ديسك با ترك لبه‌اي تحت بارگذاري خمش سه‌نقطه‌اي نامتقارن قرارگرفته‌اند. ترك‌ها در زاويه‌هاي 0 تا 40 درجه با گام 10 درجه ايجادشده‌اند و براي هر زاويه 5 نمونه توليد و آزمايش‌شده است. زماني كه زاويه ترك صفر و 10 درجه باشد، رشد ترك در مود برشي-كششي و زماني كه زاويه ترك 20، 30 و 40 درجه باشد رشد ترك در مود برشي-فشاري رخ مي‌دهد. شبيه‌سازي عددي در نرم‌افزار آباكوس مطابق معيار‌هاي حداكثر تنش مماسي و ميانگين چگالي انرژي كرنشي با فرض اصطكاك صفر براي زوايا 0 تا 40 درجه و فرض اصطكاك غير صفر براي زوايا 20، 30 و 40 درجه، انجام شد. اولين برخورد بين صفحات ترك در زاويه ترك 2/13 درجه رخ مي‌دهد و به معناي ورود به مود دوم خالص است. همچنين افزايش ضريب اصطكاك در زواياي ترك بالاتر از 1/13 درجه باعث كاهش ضريب شدت تنش مود دوم مي‌شود. اعمال اصطكاك به وجوه ترك مقدار بار پيش¬بيني شكست را افزايش مي‌دهد و به نتايج تجربي نزديك‌تر مي‌شود؛ بنابراين، مي‌توان نتيجه گرفت كه وجود اصطكاك، در مقابل رشد ترك، مقاومت ايجاد مي‌كند. همچنين اعمال اصطكاك به وجوه ترك مقدار ضريب شدت تنش بحراني مؤثر پيش¬بيني را مقدار ناچيزي افزايش مي‌دهد و تقريباً در ضريب اصطكاك صفر با ضريب اصطكاك غير صفر مقدار يكساني دارد. در صورت وجود تماس بين صفحات ترك، معيار ASED با دقت بيشتري نتايج تجربي را پيش¬بيني مي‌كند؛ اما در مواجهه با صفحات ترك بدون برخورد، معيار MTS دقت بيشتري را پيش‌بيني مي‌كند.

1402/12/20

The influence of crack faces friction on Asphalt fracture strength under mixed mode loading

3/2/2025 12:00:00 AM

Experimental observations of the fracture behavior of hard brittle materials, such as concrete, rocks, bones, and glassy polymers, have shown that the actual situation is much more complex than the idealized one. To apply the effect of crack faces friction in fracture tests, it is necessary to determine the friction coefficient between different materials. Therefore, in this research, a friction testing apparatus based on ASTM D2394-05 standard was constructed, and the friction coefficient between two asphalt cut surfaces was measured. When the contact area is 900 square millimeters and the loading rate (forward speed) is 3 millimeters per minute; the normal stress is directly proportional to the friction coefficient; an increase in the normal stress results in an increase in the friction coefficient. Additionally, increasing the loading rate also leads to an increase in the friction coefficient. Subsequently, asymmetric semicircular bend (ASCB) specimen were subjected to three-point bending loading. The cracks were created at angles ranging from 0 to 40 degrees with a 10-degree increment, and five specimens were produced and tested for each angle. When the crack angle is zero and 10 degrees, crack propagation occurs in tensile-shear mode, and when the crack angle is 20, 30, and 40 degrees, crack propagation occurs in shear-compressive mode. Numerical simulation was conducted in Abaqus software according to the criteria of maximum tangential stress (MTS) and average strain energy density (ASED), assuming zero friction for angles ranging from 0 to 40 degrees, and non-zero friction for angles of 20, 30, and 40 degrees. The first contact between the crack surfaces occurs at a crack angle of 13.2 degrees, indicating transitioning into the pure Mode II. Additionally, an increase in the friction coefficient at crack angles greater than 13.1 degrees results in a reduction in the Mode II stress intensity factor. Applying friction to crack faces increases the predicted failure load and draws the results closer to experimental outcomes; therefore, it can be inferred that friction presence creates resistance against crack propagation. Additionally, the application of friction to crack faces leads to a slight increase in the predicted critical stress intensity factor and is nearly the same regardless of whether the friction coefficient is zero or non-zero. In the presence of contact between crack faces, the ASED criterion predicts experimental results with higher accuracy; however, when dealing with non-contacting crack faces, the MTS criterion provides higher prediction accuracy.

مكانيك شكست , استحكام شكست , اصطكاك وجوه ترك , ضريب اصطكاك , آسفالت

Fracture Mechanics , Fracture Strength , Friction of crack faces , Friction coefficient , Asphalt

Ali Jahanbani

Dr. Majid R. Ayatollahi