Скінченноелементне моделювання росту втомної тріщини з урахуванням напруження відкриття тріщини та ефективного коефіцієнта інтенсивності напружень

Abstract

Створено модель плоского зразка з центральною тріщиною в пружно-пластичній постановці за допомогою методу скінченних елементів у програмному комплексі ANSYS. Обґрунтовано довжину проростання тріщини для усталення пластичної зони у вістрі тріщини. Змодельовано ріст втомної тріщини за регулярного циклічного навантаження з урахуванням залишкових деформацій та напружень в околі вістря тріщини та контакту її берегів. Розраховано швидкість росту втомної тріщини з використанням ефективного коефіцієнта інтенсивності напружень, отриманого при моделюванні розкриття тріщини. Отримано задовільне узгодження результатів моделювання та експериментальних даних.

The aim of this study was to simulate fatigue crack growth using ANSYS software, determine crack growth rate and compare it with experimental data. In order to simulate the fatigue crack propagation along the direction of its growth, contact conditions were applied on two separate surfaces – cracks faces. This made it possible to simulate the processes that occur at the crack closure due to the formation of residual plastic deformations, contact and compressive stresses in the crack tip. In order to simulate crack propagation, the rate of crack growth was determined by the Paris formula. Crack growth rate was determined after application of each cycle of regular loading and summarized using of the «cycle by cycle» technique. Results of stress- strain state simulation for each load step, including plastic deformations, were considered during simulation of next load step (cycle). During crack growth on its faces residual plastic deformations (extensions) were formed. Therefore during unloading the crack faces closed up prematurely, before unload if finished. This leads to the crack closure effect. In addition, after premature crack closure, residual contact compressive stress appears on the crack faces. Thus, the created model made possible to take into account the effect of residual plastic deformation (extensions) on crack faces and consequently residual compressive stresses. To compare the simulated and experimental results, the V  Keff diagram of D16T alloy in effective Keff values was built. The diagram shows satisfactory agreement of experimental and simulated results for each experiment.