چندلايه‌اي فلز كامپوزيت (FML) از جمله كامپوزيت‌هاي پيشرفته به‌شمار مي‌روند كه به دليل مقاومت بالا در برابر آسيب و امكان كاهش وزن سازه كاربرد گسترده‌اي در صنايع مختلف پيدا كرده‌اند. يكي از مسائل كليدي در طراحي و بهينه‌سازي اين مواد، بررسي دقيق رشد ترك‌ به‌ويژه تحت بارگذاري‌هاي مختلط است. در اين مطالعه، رشد ترك در FML با لايه‌چيني [AL/0/0/AL] با بهره‌گيري از رويكردهاي تجربي و عددي مورد بررسي قرار گرفته است. هدف پژوهش، استخراج پارامترهاي شكست شامل ضرايب شدت تنش (SIF)، انتگرال-J و زاويه شروع ترك از طريق استفاده از يك معيار شكست جديد كه براي حالت تركيبي (I/II) مبتني بر حداكثر نرخ رهايي انرژي (MERR) و حداكثر تنش مماسي (MTS) مي باشد، استفاده شده است. همچنين، روش همبستگي تصوير ديجيتال (DIC) براي تحليل رفتار ترك به كار گرفته شده است. نتايج نشان مي‌دهد كه ضريب شدت تنش حالت اول K_I با افزايش زاويه شيب ترك (φ) كاهش مي‌يابد. منحني مربوط به ضريب شدت تنش حالت دوم K_II داراي بيشينه‌اي در زاويه φ = 45° است. مقايسه نتايج تجربي با مدل‌سازي عددي بر پايه‌ي روش المان محدود توسعه‌يافته (XFEM) توانايي اين روش را در پيش‌بيني مسير و زاويه شروع رشد ترك را تأييد مي‌كند. علاوه بر اين، تحليل با روش المان محدود (FEM) روندهاي يكنواختي را در تغييرات K_I و K_II نشان مي‌دهد. مقايسه زواياي شروع ترك حاصل از آزمايش با پيش‌بيني‌هاي معيارهاي MERR و MTS نتايج آموزنده‌اي ارائه مي‌كند كه نشان مي دهد معيار MERR در زواياي φ ≤ 15° تطابق بهتري با داده‌هاي تجربي و عددي دارد، اين در حالي‌ است كه براي زواياي بزرگ‌تر φ ‎> 15° معيار MTS به نتايج آزمايشگاهي نزديك‌تر است. افزون بر اين، داده‌هاي XFEM بيانگر آن است كه معيار MERR در تمامي زوايا، نتايج نزديك‌تري به مدل عددي ارائه مي‌دهد. در پايان، از قانون سيمپسون براي محاسبه‌ي انتگرال-J استفاده شده است كه موجب درك جامع‌تري از رفتار شكست و رشد ترك در FML مي‌شود.

1404/09/01

Numerical an‎d Experimental Analysis of In-Plane Crack Growth under Mixed Loading in Fiber Metal Laminates (FML)

10/22/2025 12:00:00 AM

Fiber Metal Laminates (FMLs) are recognized as advanced composite materials that have gained significant attention in various industries due to their high damage resistance an‎d weight reduction benefits. A key issue in the design an‎d optimization of these materials is the accurate investigation of crack growth, particularly under mixed-mode loading conditions. This study examines crack growth in FMLs using both experimental approaches Digital Image Correlation (DIC) an‎d numerical methods Finite Element Method (FEM) an‎d Extended Finite Element Method (XFEM). The primary aim is to extract fracture parameters, such as Stress Intensity Factors (SIFs) an‎d the J-integral, as well as the crack initiation angle, through the application of a new mixed-mode (I/II) fracture criterion combining the Maximum Energy Release Rate (MERR) an‎d Maximum Tangential Stress (MTS) approaches. The DIC method is employed to analyze crack behavior in detail. Results show a decrease in the Mode I SIF (K_I) with increasing crack inclination angle (φ). Interestingly, the Mode II SIF (K_II) reaches its peak at φ =45^° . A comparison between experimental results an‎d XFEM modeling demonstrates the strong capability of XFEM in predicting both crack growth paths an‎d crack initiation angles. In addition, the FEM approach reveals consistent trends in both K_I an‎d K_II. Comparisons between experimentally measured crack initiation angles an‎d those predicted by MERR an‎d MTS criteria yield insightful observations. The MERR criterion exhibits higher accuracy than MTS for φ ≤ 15° in matching experimental an‎d numerical results, while MTS provides closer agreement for φ ‎> 15°. Furthermore, a comparison with XFEM data indicates that MERR yields predictions closer to the numerical model across all crack inclination angles. The J-integral is computed using Simpson’s rule, providing a comprehensive understan‎ding of crack behavior. This study confirms the reliability of the proposed new mixed-mode fracture criteria an‎d the DIC method in eva‎luating crack tip conditions an‎d predicting crack initiation angles. The findings not only deepen our understan‎ding of fracture mechanics in complex materials but also offer practical implications for predicting crack initiation an‎d growth behavior in engineering applications.

اجزا محدود. , ضريب شدت تنش

Stress Intensity Factor , Extended Finite Element Method

Hassan Mahmoudzade

Dr. Bijan Mohammadi