31278

بررسي تأثيرات هندسه و ابعاد نمونه آزمون در شكست الاستومرها تحت بارگذاري مود تركيبي

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1401

1403/06/26

دكتر مجيدرضا آيت اللهي

دكتر مهدي حيدري ميبدي

مهندسي مكانيك

علي‌رغم اينكه در مباني تئوري بيان مي‌شود كه چقرمگي شكست يك پارامتر وابسته به ذات ماده است؛ ولي نتايج آزمايشگاهي موجود در پژوهش¬هاي پيشين در مواد ترد نشان مي‌دهند كه با تغيير ابعاد و هندسه نمونه آزمون، مقدار چقرمگي شكست مي¬تواند تغيير ‌كند. مطالعات صورت‌گرفته در مورد تأثير ابعاد و هندسه بر چقرمگي شكست، اغلب در حوزه مكانيك شكست الاستيك خطي (LEFM) بوده و تاكنون در مورد موادي كه داراي رفتار الاستيك غيرخطي هستند مطالعات گسترده‌اي صورت نگرفته است. در اين تحقيق مقادير چقرمگي شكست نمونه‌هاي ترك‌دار از جنس الاستومر كه داراي رفتار غيرخطي مي‌باشند، تحت بارگذاري مود تركيبي I/II به‌صورت تجربي و با استفاده از شبيه‌سازي المان محدود در نرم‌افزار آباكوس محاسبه شده است. براي دستيابي به اين هدف، آزمون تجربي بر روي نمونه‌هايي با سه هندسه مختلف مستطيلي (RT)، نيم¬دايره¬اي (SCT) و دايره¬اي (CT) و با چهار اندازه مختلف انجام شد و مقادير جابه‌جايي بحراني نمونه‌ها از آزمون تجربي استخراج گرديد. در مواد الاستومري به دليل غيرخطي‌بودن رابطه‌ي بين تنش و كرنش، به‌جاي قانون هوك از مدل‌هاي رفتاري هايپرالاستيك استفاده مي‌شود؛ لذا پس از تعيين مدل رفتاري هايپرالاستيك مناسب كه وضعيت الاستومر در كرنش‌هاي مختلف را به‌خوبي شبيه‌سازي مي‌كند، شبيه‌سازي اجزاء محدود نمونه‌هاي ترك‌دار در نرم‌افزار آباكوس انجام شد. سپس مقادير انتگرال-J نمونه‌ها از نرم‌افزار آباكوس استخراج گرديد. نتايج نشان مي‌دهند كه مقادير انتگرال-J نمونه‌ها تحت بارگذاري مركب I/II وابسته به ابعاد و هندسه نمونه مي‌باشند. اين وابستگي به دليل تغييرات شعاع ناحيه آسيب اطراف نوك ترك با اندازه و هندسه نمونه است. براي محاسبه مقدار شعاع بحراني ناحيه آسيب (RC) و توجيه تغييرات انتگرال-J نمونه‌ها، از معيار چگالي انرژي كرنشي ميانگين (ASED)استفاده شده است. در نهايت باتوجه‌به نتايج تجربي به‌دست‌آمده از سه نمونه با ابعاد مختلف و با استفاده از معيار ASED، چقرمگي شكست نمونه چهارم در هر سه هندسه RT، SCT و CT، با خطاي كمتر از 12% پيش‌بيني گرديد. همچنين مقادير چقرمگي شكست نمونه‌هاي CT، از روي نمونه‌هاي RT با خطاي كمتر از 15% پيش‌بيني شد.

1403/07/10

Geometry and size effects on the fracture of elastomers under mixed mode loading

9/17/2025 12:00:00 AM

Although it is stated in the theoretical foundations that fracture toughness is a parameter dependent on the nature of the material, the experimental results in different articles show that by increasing or decreasing the dimensions of the test sample as well as changing the geometry of the sample, the value of the fracture toughness can change. The studies conducted on the effect of dimensions and geometry of the test sample on the fracture toughness are mostly in the field of linear elastic fracture mechanics (LEFM). So far no extensive studies have been conducted on materials with nonlinear elastic behavior. In this research, the fracture toughness values of the cracked elastomer samples, showing non-linear behavior, under mixed mode I/II loading, were calculated experimentally and numerically using Abaqus software. To achieve this goal, the experimental tests were performed on samples with three different geometries: rectangular (RT), semi-circular (SCT) and circular (CT) and four different sizes. The critical displacement values of the samples were extracted from the experimental test. In elastomeric materials, due to the nonlinearity of the relationship between stress and strain, hyperelastic material models are used instead of Hooke's law. Therefore after determining the appropriate hyperelastic material model that simulates well the state of the elastomer in different strains, the simulation of the finite elements of the cracked samples in software Abaqus was done. Then the J-integral values of the samples were extracted from Abaqus software. The results showed that the J-integral values of the samples under mixed mode I/II loading were dependent on the dimensions and geometry of the sample. This dependency is due to the variation of the damage zone size around the crack tip with changing the sample size and geometry. To calculate the value of the critical radius of the damage zone (Rc) and to justify the changes in the J-integral values of the samples, the average strain energy density (ASED) criterion was used. Finally, according to the experimental results obtained from three samples with different dimensions, the fracture toughness of the fourth sample in all three geometries (RT, SCT, and CT) was predicted with an error of less than 12%. Also, the fracture toughness values of CT samples were predicted from RT samples with an error of less than 15%.

اثر اندازه , اثر هندسه , معيار چگالي انرژي كرنشي ميانگين , الاستومر , انتگرال-J

Size effect , Geometry effect , ASED criterion , Elastomer , J-Integral

Mohammad Kamalinahad

Dr.Majid Reza Ayatollahi