Modeling of crack opening mode SIF for a crack in a thin-walled structural channel beam

Abstract

Проведено аналіз методів оцінки коефіцієнтів інтенсивності напружень (КІН) у крайових тріщинах, що розповсюджуються у профільних швелерних елементах. Зародження та розповсюдження тріщин в таких елементах спричинене змінними в часі зовнішніми силовими навантаженнями. У рамках лінійної механіки руйнування дослідження напружено-деформівного стану рамних конструкцій при наявності в них тріщиноподібних дефектів зводиться до визначення КІН. У результаті проаналізовано можливість застосування до розв’язку таких задач аналітичних, числових та експериментальних методів. Зазначено, що застосування аналітичних методів досить обмежене через складність врахування реального навантаження та геометричних параметрів конструкцій; експериментальні методи важко інтерпретувати для задач з іншою конфігурацією елемента. У зв’язку з цим для інженерних задач, що наведені вище, розглянуто побудову доволі простих, нехай і менш точних залежностей з визначення КІН, в яких менша точність розрахунку компенсується незначною трудомісткістю. Розглянуто два методи визначення КІН для крайової поперечної тріщини, що розповсюджується у швелерному профілі: – через номінальні напруження у нетто-перетині та через зміну моменту інерції поперечного перетину профілю. При цьому виділено дві характерні стадії розвитку тріщини у швелерному профілі: наскрізна тріщина зароджується на краю горизонтальної полиці і розвивається вздовж неї; тріщина розповсюджується у вертикальній стінці швелера. Для кожної із стадій отримано поправкові функції, на основі яких побудовано узагальнюючі поправкові функції. Здійснено імітаційне моделювання напружено-деформівного стану швелера з тріщиною методом скінчених елементів. Отримані дані порівнювались з результатами аналітичного розрахунку пропонованими інженерними методами.

The analysis of engineering methods for determining stress intensity factors (SIF) for defective elements of open profile (channels) under bending is carried out. Mathematical models are created and dependences for calculation of SIF are deduced using two methods: using nominal stresses in net-section and using change of the inertia-moment of the profile cross-section. The obtained results are compared with the data of SIF for the crack in the channel obtained during simulation modeling using finite element method.