Photoelastic research of three-dimensional problems of fracture mechanics

Abstract

Розвинуто поляризаційно-оптичний метод дослідження тривимірних задач механіки руйнування. За даними фотопружних вимірювань запропоновано визначати окремо параметри загального та основного напружених станів, і на основі отриманих даних розраховувати параметри додаткового напруженого стану, в які входять коефіцієнти інтенсивності напружень (КІН). Такий підхід дозволяє визначити КІН для невеликих за величиною картин оптичної анізотропії, які характерні для поверхневих тріщин у тонких пластинах і оболонках, виготовлених із оптично-чутливих матеріалів на базі епоксидної смоли, неорганічного силікатного скла та у гомогенних і гетерогенних триплексах. Параметри загального напруженого стану вимірюються поблизу околу тріщин, у так званому «інтервалі достовірності», в якому експериментально визначені величини КІН для різних радіус-векторів точок вимірювання, практично не відрізняються між собою. Параметри основного напруженого стану визначаються на певних відстанях від фронту тріщини, для яких оптична інтерференційна картина не містить зон концентрації напружень. Запропоновано загальну формулу для визначення КІН таким шляхом для різних видів деформації в околі тріщини. Формула містить коефіцієнти, які набувають певні значення залежно від наявності поблизу околу тріщини КІН KІ, KІІ, KІІІ, або їх комбінацій. Метод експериментально реалізований за допомогою об’ємної фотопружності із «заморожуванням» деформацій та поляризаційно-оптичним дослідженням зрізів і субзрізів поверхневих тріщин. Метод апробовано при визначенні величин КІН для поверхневих тріщин у тонких пластинах і оболонках, виготовлених із оптично-чутливого матеріалу на базі епоксидно-діанової смоли ЕД-20М. Отримано дані величин КІН для поверхневих тріщин різної геометрії в плані (півеліптичних, прямокутних), які перебувають при різних видах навантаження. Розглянуто пластини з поверхневими тріщинами при розтягу, тонкі оболонки з поверхневими тріщинами під дією внутрішнього тиску та кручення. Експериментально отримані величини КІН порівнювали з розрахованими значеннями, обчисленими за відомими залежностями. Розбіжність експериментально отриманих величин КІН із розрахованими аналітично складає 2–8% для різних варіантів розташування поверхневої тріщини, її геометрії та виду навантаження тонких пластин і оболонок. Показано ефективність запропонованої методики визначення КІН за картинами оптичної анізотропії невеликої величини для розв’язання відповідних задач інженерної практики.

A polarization-optical method for studying three-dimensional problems of fracture mechanics has been developed. The method was tested to determine the values of stress intensity factors (SIF) for surface cracks in thin plates and thin shells. The data of SIF values for surface cracks of different geometry, which are subjected to different loadings, are obtained. The experimentally obtained values of SIF were compared with those calculated analytically. The efficiency of the proposed technique for solving the corresponding problems of engineering practice is shown.