Уравнение роста трещины - Crack growth equation

Рисунок 1: Типичный график зависимости скорости роста трещины от диапазона интенсивности напряжений. Уравнение Парижа соответствует центральной линейной области режима B.

А уравнение роста трещины используется для расчета размера усталость трещина, растущая от циклических нагрузок. Рост усталостных трещин может привести к катастрофическому отказу, особенно в случае самолета. Уравнение роста трещины можно использовать для обеспечения безопасности как на этапе проектирования, так и во время эксплуатации, прогнозируя размер трещин. В критической конструкции нагрузки могут регистрироваться и использоваться для прогнозирования размера трещин, чтобы гарантировать, что техническое обслуживание или вывод из эксплуатации произойдет до выхода из строя любой из трещин.

Усталость жизнь можно разделить на период зарождения и период роста трещины.[1] Уравнения роста трещин используются для прогнозирования размера трещины, начиная с заданного начального дефекта, и обычно основываются на экспериментальных данных, полученных при постоянной амплитуде. испытания на усталость.

Одно из первых уравнений роста трещин, основанное на коэффициент интенсивности напряжений диапазон цикла нагрузки () это Уравнение Париса – Эрдогана[2]

куда - длина трещины и - рост усталостной трещины за один цикл нагружения . Разнообразные уравнения роста трещин, подобные уравнению Париса – Эрдогана, были разработаны для включения факторов, влияющих на скорость роста трещин, таких как соотношение напряжений, перегрузки и эффекты предыстории нагрузки.

Диапазон интенсивности напряжений может быть рассчитан по максимальной и минимальной интенсивности напряжений для цикла.

А коэффициент геометрии используется для связи напряжения в дальней зоне к интенсивности напряжений в вершине трещины с помощью

.

Есть стандартные ссылки, содержащие геометрические факторы для многих различных конфигураций.[3][4][5]

История уравнений распространения трещин

За прошедшие годы было предложено множество уравнений распространения трещин для повышения точности прогнозов и включения различных эффектов. Работы Главы,[6] Фрост и Дагдейл,[7] МакЭвили и Иллг,[8] и Лю[9] по поведению при усталостном росте трещин положил начало этой теме. Общий вид этих уравнений распространения трещин может быть выражен как

где длина трещины обозначена , количество циклов приложения нагрузки определяется выражением , диапазон напряжений на , а параметры материала - на . Для симметричных конфигураций длина трещины от линии симметрии определяется как и составляет половину общей длины трещины .

Уравнения роста трещины вида не правда дифференциальное уравнение поскольку они не моделируют непрерывный процесс роста трещин в течение всего цикла нагружения. Таким образом, отдельные алгоритмы подсчета циклов или идентификации, такие как обычно используемые алгоритм подсчета дождевых потоков, необходимы для определения максимального и минимального значений в цикле. Несмотря на то, что он был разработан для методов "напряжение / деформация", подсчет дождевого потока также показал свою эффективность в отношении роста трещин.[10] Также было разработано небольшое количество уравнений роста усталостной трещины с истинной производной.[11][12]

Факторы, влияющие на скорость роста трещин

Режимы

На рисунке 1 показан типичный график скорости роста трещины в зависимости от интенсивности переменного напряжения или движущей силы вершины трещины. нанесены на бревенчатые шкалы. Поведение скорости роста трещины в зависимости от интенсивности знакопеременных напряжений в различных режимах (см. Рисунок 1) можно объяснить следующим образом:

Режим А: При низких темпах роста колебания микроструктура, среднее напряжение (или коэффициент нагрузки) и окружающая среда оказывают значительное влияние на скорость распространения трещин. Наблюдается, что при низких соотношениях нагрузки скорость роста наиболее чувствительна к микроструктуре, а в материалах с низкой прочностью она наиболее чувствительна к соотношению нагрузок.[13]

Режим B: В среднем диапазоне скоростей роста изменения микроструктуры, среднего напряжения (или отношения нагрузки), толщины и окружающей среды не оказывают значительного влияния на скорость распространения трещин.

Режим C: При высоких скоростях роста распространение трещины очень чувствительно к изменениям микроструктуры, среднего напряжения (или отношения нагрузки) и толщины. Воздействие окружающей среды оказывает относительно меньшее влияние.

Эффект соотношения напряжений

Циклы с более высоким коэффициентом напряжений имеют повышенную скорость роста трещин.[14] Этот эффект часто объясняют с помощью закрытие трещины концепция, которая описывает наблюдение, что берега трещины могут оставаться в контакте друг с другом при нагрузках выше нуля. Это снижает диапазон эффективного коэффициента интенсивности напряжений и скорость роста усталостной трещины.[15]

Последовательные эффекты

А Уравнение дает скорость роста для одного цикла, но когда нагрузка не является постоянной амплитудой, изменения нагрузки могут привести к временному увеличению или уменьшению скорости роста. Для некоторых из этих случаев были разработаны дополнительные уравнения. Скорость роста замедляется, когда возникает перегрузка в последовательности загрузки. Эти нагрузки создают пластическую зону, которая может замедлить скорость роста. Два примечательных уравнения для моделирования задержек, возникающих при прорастании трещины в зоне перегрузки:[16]

Модель Уиллера (1972)
с

куда пластическая зона, соответствующая i-му циклу, который происходит после перегрузки и - расстояние между трещиной и протяженностью пластической зоны при перегрузке.

Модель Вилленборга

Уравнения роста трещин

Пороговое уравнение

Для прогнозирования скорости роста трещины в околопороговой области использовалось следующее соотношение[17]

Уравнение Париса – Эрдогана

Для прогнозирования скорости роста трещины в промежуточном режиме используется уравнение Париса – Эрдогана.[2]

Формановское уравнение

В 1967 году Форман предложил следующее соотношение для учета повышенных темпов роста из-за коэффициента напряжений и при приближении к вязкость разрушения [18]

Уравнение Макэвили – Грегера

Макэвили и Грегер[19] предложили следующую степенную зависимость, которая учитывает влияние как высоких, так и низких значений

.

Уравнение НАСГРО

Уравнение NASGRO используется в программах роста трещин AFGROW, ФАСТРАН и программное обеспечение NASGRO.[20] Это общее уравнение, которое охватывает более низкую скорость роста вблизи порога и повышенная скорость роста, приближающаяся к вязкости разрушения , а также с учетом эффекта среднего напряжения путем включения отношения напряжений . Уравнение NASGRO:

куда , , , , , и - коэффициенты уравнения.

Уравнение Макклинтока

В 1967 году МакКлинток разработал уравнение для верхнего предела роста трещины на основе циклического смещение раскрытия вершины трещины [21]

куда напряжение течения, - модуль Юнга и является константой обычно в диапазоне 0,1–0,5.

Уравнение Уокера

Для учета эффекта отношения напряжений Уокер предложил модифицированную форму уравнения Париса – Эрдогана.[22]

куда, - параметр материала, который отражает влияние отношения напряжений на скорость роста усталостной трещины. Обычно принимает значение около , но может варьироваться от . В целом предполагается, что сжимающая часть цикла нагрузки не влияет на рост трещины, учитывая который дает Это можно объяснить физически, если учесть, что трещина закрывается при нулевой нагрузке и не ведет себя как трещина при сжимающих нагрузках. В очень пластичных материалах, таких как сталь Man-Ten, сжимающая нагрузка действительно способствует росту трещин. .[23]

Уравнение Эльбера

Эльбер модифицировал уравнение Париса-Эрдогана, чтобы учесть закрытие трещины, введя открытие уровень интенсивности стресса при котором происходит контакт. Ниже этого уровня вершина трещины не движется и, следовательно, не растет. Этот эффект был использован для объяснения эффекта отношения напряжений и повышенной скорости роста, наблюдаемой при коротких трещинах. Уравнение Эльбера[16]

Уравнение пластичных и хрупких материалов

Общий вид скорости роста усталостной трещины в пластичный и хрупкий материалы предоставлены[21]

куда, и параметры материала. На основе различных механизмов защиты от распространения трещины и вершины трещины в металлах, керамике и интерметаллиды, наблюдается, что скорость роста усталостной трещины в металлах существенно зависит от термин, в керамике на , а интерметаллиды имеют почти аналогичную зависимость от и термины.

Прогнозирование усталостной жизни

Компьютерные программы

Существует множество компьютерных программ, реализующих уравнения роста трещин, например Насгро,[24] AFGROW и Fastran. Кроме того, существуют также программы, реализующие вероятностный подход к росту трещин, рассчитывающие вероятность отказа на протяжении всего срока службы компонента.[25][26]

Программы роста трещин увеличивают трещину от первоначального размера дефекта до тех пор, пока она не превысит вязкость разрушения материала и не выйдет из строя. Поскольку вязкость разрушения зависит от граничных условий, вязкость разрушения может измениться от плоская деформация условия для полукруглой поверхностной трещины плоское напряжение условия для сквозной трещины. Вязкость разрушения для условий плоского напряжения обычно вдвое больше, чем для плоской деформации. Однако из-за быстрой скорости роста трещины ближе к концу срока ее службы изменения вязкости разрушения существенно не изменяют срок службы компонента.

Программы роста трещин обычно предоставляют на выбор:

  • методы подсчета циклов для извлечения крайних значений цикла
  • геометрические факторы, которые выбирают для формы трещины и приложенной нагрузки
  • уравнение роста трещины
  • модели ускорения / замедления
  • свойства материала, такие как предел текучести и вязкость разрушения

Аналитическое решение

Коэффициент интенсивности напряжений определяется выражением

куда - приложенное равномерное растягивающее напряжение, действующее на образец в направлении, перпендикулярном плоскости трещины, - длина трещины и - безразмерный параметр, зависящий от геометрии образца. Интенсивность переменного напряжения становится

куда - диапазон амплитуды циклических напряжений.

Принимая начальный размер трещины равным , критический размер трещины до того, как образец выйдет из строя, можно рассчитать с помощью в качестве

Приведенное выше уравнение в имеет неявный характер и при необходимости может быть решена численно.

Случай I

За закрытие трещины оказывает незначительное влияние на скорость роста трещины[27] а уравнение Париса – Эрдогана можно использовать для расчета усталостной долговечности образца до того, как он достигнет критического размера трещины. в качестве

Модель роста трещины с постоянным значением и R = 0
Рисунок 2: Геометрическое представление образца для испытаний на растяжение от центра.

Для модели роста трещины Гриффита-Ирвина или центральной трещины длиной в бесконечном листе, как показано на рисунке 2, мы имеем и не зависит от длины трещины. Также, можно считать независимым от длины трещины. Предполагая указанный выше интеграл упрощается до

интегрируя приведенное выше выражение для и случаев, общее количество циклов нагрузки даны

Теперь для и критический размер трещины должен быть очень большим по сравнению с начальным размером трещины дам

Приведенные выше аналитические выражения для общего числа циклов нагрузки до разрушения получаются в предположении . Для случаев, когда зависит от размера трещины, такой как геометрия растяжения на одной кромке надреза (SENT), растяжения от центра трещины (CCT), численное интегрирование может использоваться для расчета .

Дело II

За Явление закрытия трещины влияет на скорость роста трещины, и мы можем использовать уравнение Уокера для вычисления усталостной долговечности образца до того, как он достигнет критического размера трещины. в качестве

Численный расчет

Рисунок 3: Схематическое изображение процесса прогнозирования усталостной долговечности[28]

Эта схема полезна, когда зависит от размера трещины . Первоначальный размер трещины считается равным . Коэффициент интенсивности напряжений при текущем размере трещины вычисляется с использованием максимального приложенного напряжения как


Если меньше вязкости разрушения , трещина не достигла критического размера и моделирование продолжается с текущим размером трещины для расчета интенсивности переменного напряжения как

Теперь, если подставить коэффициент интенсивности напряжения в уравнение Париса – Эрдогана, прирост размера трещины вычисляется как

куда размер шага цикла. Новый размер трещины становится

где индекс относится к текущему шагу итерации. Новый размер трещины используется для расчета интенсивности напряжения при максимальном приложенном напряжении для следующей итерации. Этот итеративный процесс продолжается до тех пор, пока

Как только этот критерий отказа соблюден, моделирование останавливается.

Схематическое изображение процесса прогнозирования усталостной долговечности показано на рисунке 3.

Пример

Рисунок 4: Геометрическое изображение образца для испытания на растяжение с односторонним надрезом

Коэффициент интенсивности напряжений в образце SENT (см. Рис.4) при росте усталостной трещины определяется выражением[5]

При расчете учитываются следующие параметры

мм, мм, мм, , ,

МПа,, .

Критическая длина трещины, , можно вычислить, когда в качестве

Решая вышеуказанное уравнение, критическая длина трещины получается как .

Теперь, используя уравнение Парижа – Эрдогана, получаем

Путем численного интегрирования приведенного выше выражения общее количество циклов нагрузки до отказа получается как .

Рекомендации

  1. ^ Schijve, J. (январь 1979 г.). «Четыре лекции о росте усталостной трещины». Инженерная механика разрушения. 11 (1): 169–181. Дои:10.1016/0013-7944(79)90039-0. ISSN  0013-7944.
  2. ^ а б Paris, P.C .; Эрдоган, Ф. (1963). «Критический анализ законов распространения трещин». Журнал фундаментальной инженерии. 18 (4): 528–534. Дои:10.1115/1.3656900..
  3. ^ Murakami, Y .; Аоки, С. (1987). Справочник по факторам интенсивности стресса. Пергамон, Оксфорд.
  4. ^ Rooke, D. P .; Картрайт, Д. Дж. (1976). Сборник факторов интенсивности напряжений. Канцелярия Ее Величества, Лондон.
  5. ^ а б Тада, Хироши; Paris, Paul C .; Ирвин, Джордж Р. (1 января 2000 г.). Справочник по анализу трещин на напряжение (Третье изд.). Три Парк-авеню Нью-Йорк, Нью-Йорк 10016-5990: ASME. Дои:10.1115/1.801535. ISBN  0791801535.CS1 maint: location (связь)
  6. ^ Заведующий А. К. (сентябрь 1953 г.). «Рост усталостных трещин». Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал. 44 (356): 925–938. Дои:10.1080/14786440908521062. ISSN  1941-5982.
  7. ^ Frost, N.E .; Дагдейл, Д. С. (январь 1958 г.). «Распространение усталостных трещин в листовых образцах». Журнал механики и физики твердого тела. 6 (2): 92–110. Bibcode:1958JMPSo ... 6 ... 92F. Дои:10.1016/0022-5096(58)90018-8. ISSN  0022-5096.
  8. ^ МакЭвили, Артур Дж .; Illg, Уолтер (1960). «Метод прогнозирования скорости распространения усталостной трещины». Симпозиум по усталости конструкций самолетов. ASTM International. С. 112–112–8. Дои:10.1520 / stp45927s. ISBN  9780803165793.
  9. ^ Лю, Х. В. (1961). «Распространение трещин в тонком металлическом листе при многократном нагружении». Журнал фундаментальной инженерии. 83 (1): 23–31. Дои:10.1115/1.3658886. ISSN  0021-9223.
  10. ^ Sunder, R .; Seetharam, S.A .; Бхаскаран, Т.А. (1984). «Подсчет циклов для анализа роста усталостной трещины». Международный журнал усталости. 6 (3): 147–156. Дои:10.1016 / 0142-1123 (84) 90032-Х.
  11. ^ Pommier, S .; Рисбет, М. (2005). "Уравнения производной по времени для роста усталостной трещины в металлах по моде I". Международный журнал усталости. 27 (10–12): 1297–1306. Дои:10.1016 / j.ijfatigue.2005.06.034.
  12. ^ Лу, Зизи; Лю, Юнмин (2010). «Анализ роста усталостной трещины в малом масштабе времени». Международный журнал усталости. 32 (8): 1306–1321. Дои:10.1016 / j.ijfatigue.2010.01.010.
  13. ^ Ричи, Р. О. (1977). «Распространение трещин, близких к пороговым, в сверхвысокопрочной стали: влияние коэффициента нагрузки и циклической прочности». Журнал инженерных материалов и технологий. 99 (3): 195–204. Дои:10.1115/1.3443519. ISSN  0094-4289.
  14. ^ Мэддокс, С. Дж. (1975). «Влияние среднего напряжения на распространение усталостной трещины - обзор литературы». Международный журнал переломов. 1 (3).
  15. ^ Элбер, В. (1971), "Значение закрытия усталостной трещины", Устойчивость к повреждениям в конструкциях самолетов, ASTM International, стр. 230–242, Дои:10.1520 / stp26680s, ISBN  9780803100312
  16. ^ а б Суреш, С. (2004). Усталость материалов. Издательство Кембриджского университета. ISBN  978-0-521-57046-6.
  17. ^ Allen, R.J .; Бут, Г. С .; Ютла, Т. (март 1988 г.). «Обзор характеристик роста усталостной трещины с помощью линейной механики упругого разрушения (LEFM). Часть II - Консультативные документы и приложения в рамках национальных стандартов». Усталость и разрушение инженерных материалов и конструкций. 11 (2): 71–108. Дои:10.1111 / j.1460-2695.1988.tb01162.x. ISSN  8756-758X.
  18. ^ Forman, R.G .; Kearney, V.E .; Энгл Р. М. (1967). «Численный анализ распространения трещин в конструкциях с циклической нагрузкой». Журнал фундаментальной инженерии. 89 (3): 459–463. Дои:10.1115/1.3609637. ISSN  0021-9223.
  19. ^ McEvily, A.J .; Groeger, J. (1978), «На пороге роста усталостной трещины», Достижения в исследованиях прочности и разрушения материалов, Elsevier, стр. 1293–1298, Дои:10.1016 / b978-0-08-022140-3.50087-2, ISBN  9780080221403
  20. ^ Forman, R.G .; Shivakumar, V .; Cardinal, J. W .; Williams, L.C .; Маккиган, П. (2005). «База данных о росте усталостных трещин для анализа устойчивости к повреждениям» (PDF). FAA. Получено 6 июля 2019.
  21. ^ а б Ричи, Р. О. (1 ноября 1999 г.). «Механизмы распространения усталостной трещины в вязких и хрупких телах». Международный журнал переломов. 100 (1): 55–83. Дои:10.1023 / А: 1018655917051. ISSN  1573-2673.
  22. ^ Уокер, К. (1970), "Влияние отношения напряжений при распространении трещин и усталости для алюминия 2024-T3 и 7075-T6", Влияние окружающей среды и истории сложных нагрузок на усталостную долговечность, ASTM International, стр. 1–14, Дои:10.1520 / stp32032s, ISBN  9780803100329
  23. ^ Доулинг, Норман Э. (2012). Механическое поведение материалов: инженерные методы деформации, разрушения и усталости. Пирсон. ISBN  978-0131395060. OCLC  1055566537.
  24. ^ «Программное обеспечение NASGRO® для механики разрушения и роста усталостных трещин». Получено 14 июля 2019.
  25. ^ «Обновление компьютерной программы вероятности разрушения (PROF) для анализа рисков старения самолета. Том 1: Модификации и руководство пользователя». Получено 14 июля 2019.
  26. ^ «DARWIN Программное обеспечение для оценки механики разрушения и надежности». 14 октября 2016 г.. Получено 14 июля 2019.
  27. ^ Зендер, Алан Т. (2012). Механика разрушения. Конспект лекций по прикладной и вычислительной механике. 62. Дордрехт: Springer, Нидерланды. Дои:10.1007/978-94-007-2595-9. ISBN  9789400725942.
  28. ^ «Рост усталостной трещины». Получено 6 июля 2019.

внешняя ссылка