Rovnice růstu trhlin - Crack growth equation

A rovnice růstu trhlin se používá pro výpočet velikosti a únava trhlina rostoucí z cyklického zatížení. Nárůst únavových trhlin může mít za následek katastrofické selhání, zejména v případě letadel. Rovnici růstu trhlin lze použít k zajištění bezpečnosti, a to jak ve fázi návrhu, tak během provozu, a to předpovědí velikosti trhlin. V kritické konstrukci lze zatížení zaznamenat a použít k předpovědi velikosti trhlin, aby se zajistila údržba nebo vyřazení z provozu před selháním kterékoli z trhlin.
Únava život lze rozdělit na iniciační období a období růstu trhlin.[1] Rovnice růstu trhlin se používají k předpovědi velikosti trhlin počínaje danou počáteční chybou a jsou obvykle založeny na experimentálních datech získaných z konstantní amplitudy únavové testy.
Jedna z prvních rovnic pro růst trhlin založená na faktor intenzity stresu rozsah zatěžovacího cyklu () je Paříž – Erdoganova rovnice[2]
kde je délka trhliny a je nárůst únavové trhliny pro jeden zatěžovací cyklus . Byla vyvinuta řada rovnic pro růst trhlin podobných rovnici Paříž – Erdogan, která zahrnuje faktory ovlivňující rychlost růstu trhlin, jako je poměr napětí, přetížení a účinky historie zatížení.
Rozsah intenzity stresu lze vypočítat z maximální a minimální intenzity stresu pro cyklus
A faktor geometrie se používá k přiřazení napětí vzdáleného pole na intenzitu napětí špičky trhliny pomocí
- .
Existují standardní reference obsahující faktory geometrie pro mnoho různých konfigurací.[3][4][5]
Historie rovnic šíření trhlin
V průběhu let bylo navrženo mnoho rovnic šíření trhlin, aby se zlepšila přesnost predikce a zahrnovaly různé efekty. Díla hlavy,[6] Frost a Dugdale,[7] McEvily a Illg,[8] a Liu[9] o chování při růstu únavových trhlin položil základ v tomto tématu. Obecnou formu těchto rovnic šíření trhlin lze vyjádřit jako
kde je délka trhliny označena , počet cyklů aplikovaného zatížení je dán vztahem , rozsah napětí o a parametry materiálu podle . U symetrických konfigurací je délka trhliny od linie symetrie definována jako a je polovinou celkové délky trhliny .
Crack růstové rovnice formy nejsou pravdivé diferenciální rovnice protože nemodelují proces růstu trhlin kontinuálním způsobem v průběhu zatěžovacího cyklu. Jako takové, oddělené počítání cyklů nebo identifikační algoritmy, jako jsou běžně používané algoritmus počítání dešťových toků, jsou povinni identifikovat maximální a minimální hodnoty v cyklu. Ačkoli bylo vyvinuto pro metody napětí / deformace, bylo také prokázáno, že počítání dešťových toků funguje pro růst trhlin.[10] Bylo také vyvinuto malé množství rovnic pro růst skutečných derivačních únavových trhlin.[11][12]
Faktory ovlivňující rychlost růstu trhlin
Režimy
Obrázek 1 ukazuje typický graf rychlosti růstu trhliny jako funkce střídavé intenzity napětí nebo hnací síly špičky trhliny vyneseno na logaritmických stupnicích. Chování rychlosti růstu trhlin vzhledem k intenzitě střídavého napětí lze vysvětlit v různých režimech (viz obrázek 1) následovně
Režim A: Při nízkém tempu růstu, rozdíly v% mikrostruktura, střední napětí (nebo poměr zatížení) a prostředí mají významný vliv na rychlosti šíření trhlin. Při nízkých poměrech zatížení je pozorováno, že rychlost růstu je nejcitlivější na mikrostrukturu a v materiálech s nízkou pevností je nejcitlivější na poměr zatížení.[13]
Režim B: Ve středním rozsahu rychlostí růstu nemají změny v mikrostruktuře, středním napětí (nebo poměru zatížení), tloušťce a prostředí žádné významné účinky na rychlosti šíření trhlin.
Režim C: Při vysokých rychlostech růstu je šíření trhlin vysoce citlivé na kolísání mikrostruktury, střední napětí (nebo poměr zatížení) a tloušťku. Dopady na životní prostředí mají relativně velmi malý vliv.
Účinek poměru napětí
Cykly s vyšším poměrem napětí mají zvýšenou rychlost růstu trhlin.[14] Tento efekt je často vysvětlen pomocí bezva uzávěr koncept, který popisuje pozorování, že plochy trhlin mohou zůstat ve vzájemném kontaktu při zatížení nad nulou. To snižuje rozsah účinných faktorů intenzity stresu a rychlost růstu únavových trhlin.[15]
Sekvenční efekty
A rovnice udává rychlost růstu pro jeden cyklus, ale pokud zatížení není konstantní amplituda, změny v zatížení mohou vést k dočasnému zvýšení nebo snížení rychlosti růstu. Pro řešení některých z těchto případů byly vyvinuty další rovnice. Rychlost růstu se zpomalí, když dojde k přetížení v pořadí načítání. Tato zatížení generují plastickou zónu, která může zpomalit rychlost růstu. Dvě pozoruhodné rovnice pro modelování zpoždění, ke kterým dochází, když trhlina roste v oblasti přetížení, jsou:[16]
- Model Wheeler (1972)
- s
kde je plastická zóna odpovídající i-tému cyklu, který nastane po přetížení a je vzdálenost mezi trhlinou a rozsahem plastické zóny při přetížení.
- Willenborgův model
Crack růstové rovnice
Prahová rovnice
K predikci rychlosti růstu trhlin v oblasti blízké prahové hodnoty byl použit následující vztah[17]
Rovnice Paříž – Erdoğan
K předpovědi tempa růstu trhlin v přechodném režimu se používá rovnice Paříž – Erdoğan[2]
Formanova rovnice
V roce 1967 navrhl Forman následující vztah, který zohledňuje zvýšené rychlosti růstu způsobené poměrem stresu a při přiblížení k lomová houževnatost [18]
McEvily – Groegerova rovnice
McEvily a Groeger[19] navrhl následující vztah moci a práva, který zohledňuje účinky vysokých i nízkých hodnot
- .
NASGRO rovnice
Rovnice NASGRO se používá v programech růstu trhlin AFGROW, FASTRÁN a software NASGRO.[20] Jedná se o obecnou rovnici, která pokrývá nižší rychlost růstu poblíž prahu a zvýšenou rychlostí růstu blížící se lomové houževnatosti , jakož i zohlednění středního stresu účinkem zahrnutím poměru napětí . Rovnice NASGRO je
kde , , , , , a jsou rovnice.
McClintockova rovnice
V roce 1967 vyvinul McClintock na základě cyklické rovnice pro horní hranici růstu trhlin posunutí špičky praskliny [21]
kde je proudové napětí, je Youngův modul a je konstanta typicky v rozmezí 0,1–0,5.
Walkerova rovnice
Pro zohlednění účinku poměru napětí navrhl Walker upravenou formu rovnice Paříž – Erdogan[22]
kde, je parametr materiálu, který představuje vliv poměru napětí na rychlost růstu únavové trhliny. Typicky, má hodnotu kolem , ale může se mezi nimi lišit . Obecně se předpokládá, že kompresní část zatěžovacího cyklu nemá vliv na růst trhlin uvažováním který dává To lze fyzicky vysvětlit zvážením toho, že se trhlina uzavírá při nulovém zatížení a při tlakovém zatížení se nechová jako prasklina. Ve velmi tvárných materiálech, jako je ocel Man-Ten, přispívá tlakové zatížení k růstu trhlin podle .[23]
Elberova rovnice
Elber upravil rovnici Paříž – Erdogan, aby umožnil uzavření trhlin zavedením otevírací úroveň intenzity stresu při kterém dojde ke kontaktu. Pod touto úrovní nedochází k žádnému pohybu na špičce trhliny, a tedy ani k růstu. Tento efekt byl použit k vysvětlení účinku poměru napětí a zvýšené rychlosti růstu pozorované u krátkých trhlin. Elberova rovnice je[16]
Rovnice tvárných a křehkých materiálů
Obecná forma rychlosti růstu únavových trhlin v tvárný a křehký materiály jsou dány[21]
kde, a jsou materiálové parametry. Založeno na různých mechanizmech stínění trhlin a špičky trhlin v kovech, keramice a intermetalika, bylo pozorováno, že rychlost růstu únavové trhliny v kovech je významně závislá na termín, v keramice na a intermetalika mají téměř podobnou závislost a podmínky.
Predikce únavového života
Počítačové programy
Existuje mnoho počítačových programů, které implementují rovnice růstu trhlin, jako např Nasgro,[24] PŮST a Fastran. Kromě toho existují také programy, které implementují pravděpodobnostní přístup k růstu trhlin, které počítají pravděpodobnost selhání po celou dobu životnosti komponenty.[25][26]
Programy růstu trhlin zvětšují praskliny od počáteční velikosti vady, dokud nepřekročí lomovou houževnatost materiálu a selže. Protože lomová houževnatost závisí na okrajových podmínkách, lomová houževnatost se může měnit od rovinné napětí podmínky pro půlkruhový povrch prasknout na rovinné napětí podmínky pro průchod. Lomová houževnatost za podmínek rovinného napětí je obvykle dvakrát větší než u rovinného namáhání. Kvůli rychlé rychlosti růstu trhliny na konci její životnosti však změny v lomové houževnatosti významně nemění životnost součásti.
Programy růstu trhlin obvykle poskytují výběr z:
- metody počítání cyklů k extrakci extrémů cyklu
- faktory geometrie, které se vyberou pro tvar trhliny a aplikované zatížení
- rovnice růstu trhlin
- modely zrychlení / zpomalení
- vlastnosti materiálu, jako je mez kluzu a lomová houževnatost
Analytické řešení
Faktor intenzity stresu je dán vztahem
kde je aplikované rovnoměrné tahové napětí působící na vzorek ve směru kolmém k rovině trhlin, je délka trhliny a je bezrozměrný parametr, který závisí na geometrii vzorku. Stává se intenzita střídavého stresu
kde je rozsah amplitudy cyklického napětí.
Za předpokladu, že počáteční velikost trhliny bude , kritická velikost trhlin před selháním vzorku lze vypočítat pomocí tak jako
Výše uvedená rovnice v má implicitní povahu a lze ji v případě potřeby vyřešit číselně.
Případ I
Pro uzavření trhlin má zanedbatelný vliv na rychlost růstu trhlin[27] a rovnici Paříž – Erdogan lze použít k výpočtu únavové životnosti vzorku, než dosáhne kritické velikosti trhlin tak jako
Model růstu trhlin s konstantní hodnotou a R = 0

Pro model růstu trhliny Griffith-Irwin nebo střední trhlina délky v nekonečném listu, jak je znázorněno na obrázku 2, máme a je nezávislá na délce trhliny. Taky, lze považovat za nezávislé na délce trhliny. Předpokladem výše uvedený integrál se zjednodušuje na
integrací výše uvedeného výrazu pro a případech celkový počet zatěžovacích cyklů jsou dány
Nyní, pro a kritická velikost trhlin je ve srovnání s počáteční velikostí trhlin velmi velká dá
Výše uvedené analytické výrazy pro celkový počet cyklů zatížení k lomu jsou získány za předpokladu . Pro případy, kdy závisí na velikosti trhliny, jako je geometrie Single Edge Notch Tension (SENT), Center Cracked Tension (CCT), lze k výpočtu použít numerickou integraci .
Případ II
Pro fenomén uzavření trhlin má vliv na rychlost růstu trhlin a my můžeme vyvolat Walkerovu rovnici pro výpočet únavové životnosti vzorku, než dosáhne kritické velikosti trhlin tak jako
Numerický výpočet

Toto schéma je užitečné, když je závislá na velikosti trhliny . Počáteční velikost trhlin se považuje za . Faktor intenzity napětí při aktuální velikosti trhliny se vypočítá pomocí maximálního aplikovaného napětí jako
Li je menší než lomová houževnatost , trhlina nedosáhla své kritické velikosti a simulace pokračuje s aktuální velikostí trhliny pro výpočet intenzity střídavého napětí jako
Nyní, dosazením faktoru intenzity napětí v rovnici Paříž – Erdogan, přírůstek velikosti trhliny se počítá jako
kde je velikost kroku cyklu. Nová velikost trhlin se stává
kde index odkazuje na aktuální krok iterace. Nová velikost trhlin se používá k výpočtu intenzity napětí při maximálním aplikovaném napětí pro další iteraci. Tento iterační proces pokračuje až do
Jakmile je toto kritérium selhání splněno, simulace se zastaví.
Schematické znázornění procesu predikce únavové životnosti je znázorněno na obrázku 3.
Příklad

Faktor intenzity stresu ve vzorku SENT (viz obrázek 4) při růstu únavové trhliny je dán vztahem[5]
Pro výpočet jsou brány v úvahu následující parametry
- mm, mm, mm, , ,
MPa,, .
Kritická délka trhlin, , lze vypočítat, když tak jako
Vyřešením výše uvedené rovnice se získá kritická délka trhliny jako .
Nyní, s odvoláním na rovnici Paříž – Erdogan, dává
Numerickou integrací výše uvedeného výrazu se získá celkový počet cyklů načítání do selhání jako .
Reference
- ^ Schijve, J. (leden 1979). „Čtyři přednášky o růstu únavových trhlin“. Inženýrská lomová mechanika. 11 (1): 169–181. doi:10.1016/0013-7944(79)90039-0. ISSN 0013-7944.
- ^ A b Paris, P. C .; Erdogan, F. (1963). "Kritická analýza zákonů o šíření trhlin". Journal of Basic Engineering. 18 (4): 528–534. doi:10.1115/1.3656900..
- ^ Murakami, Y .; Aoki, S. (1987). Příručka faktorů intenzity stresu. Pergamon, Oxford.
- ^ Rooke, D. P .; Cartwright, D. J. (1976). Kompendium faktorů intenzity stresu. Kancelář Jejího Veličenstva v Londýně.
- ^ A b Tada, Hiroši; Paris, Paul C .; Irwin, George R. (1. ledna 2000). Příručka k analýze napětí trhlin (Třetí vydání.). Three Park Avenue New York, NY 10016-5990: ASME. doi:10.1115/1.801535. ISBN 0791801535.CS1 maint: umístění (odkaz)
- ^ Head, A. K. (září 1953). "Růst únavových trhlin". The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science. 44 (356): 925–938. doi:10.1080/14786440908521062. ISSN 1941-5982.
- ^ Frost, N.E .; Dugdale, D. S. (leden 1958). "Šíření únavových trhlin ve vzorech plechu". Journal of the Mechanics and Physics of Solids. 6 (2): 92–110. Bibcode:1958JMPSo ... 6 ... 92F. doi:10.1016/0022-5096(58)90018-8. ISSN 0022-5096.
- ^ McEvily, Arthur J .; Illg, Walter (1960). "Metoda pro predikci rychlosti šíření únavových trhlin". Sympózium o únavě leteckých konstrukcí. ASTM International. str. 112–112–8. doi:10,1520 / stp45927s. ISBN 9780803165793.
- ^ Liu, H. W. (1961). "Šíření trhlin v tenkém plechu při opakovaném načítání". Journal of Basic Engineering. 83 (1): 23–31. doi:10.1115/1.3658886. ISSN 0021-9223.
- ^ Sunder, R .; Seetharam, S. A .; Bhaskaran, T. A. (1984). "Počítání cyklů pro analýzu růstu únavových trhlin". International Journal of Fatigue. 6 (3): 147–156. doi:10.1016 / 0142-1123 (84) 90032-X.
- ^ Pommier, S .; Risbet, M. (2005). "Časové derivační rovnice pro mód I únavového růstu trhlin v kovech". International Journal of Fatigue. 27 (10–12): 1297–1306. doi:10.1016 / j.ijfatigue.2005.06.034.
- ^ Lu, Zizi; Liu, Yongming (2010). "Analýza růstu únavových trhlin v malém časovém měřítku". International Journal of Fatigue. 32 (8): 1306–1321. doi:10.1016 / j.ijfatigue.2010.01.010.
- ^ Ritchie, R. O. (1977). „Šíření trhlin únavové trhliny v blízkosti prahu v oceli s velmi vysokou pevností: vliv poměru zatížení a cyklické síly“. Journal of Engineering Materials and Technology. 99 (3): 195–204. doi:10.1115/1.3443519. ISSN 0094-4289.
- ^ Maddox, S. J. (1975). „Vliv středního napětí na šíření únavových trhlin - přehled literatury“. International Journal of Fracture. 1 (3).
- ^ Elber, W. (1971), „Význam uzavření trhlin únavou“, Tolerance poškození v konstrukcích letadel, ASTM International, s. 230–242, doi:10,1520 / stp26680s, ISBN 9780803100312
- ^ A b Suresh, S. (2004). Únava materiálů. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-57046-6.
- ^ Allen, R. J .; Booth, G. S .; Jutla, T. (březen 1988). „Přehled charakterizace růstu únavových trhlin metodou lineární pružné zlomeniny (LEFM). Část II - Poradní dokumenty a aplikace v rámci národních norem“. Únava a zlomenina technických materiálů a konstrukcí. 11 (2): 71–108. doi:10.1111 / j.1460-2695.1988.tb01162.x. ISSN 8756-758X.
- ^ Forman, R. G .; Kearney, V. E .; Engle, R. M. (1967). "Numerická analýza šíření trhlin v cyklicky zatížených strukturách". Journal of Basic Engineering. 89 (3): 459–463. doi:10.1115/1.3609637. ISSN 0021-9223.
- ^ McEvily, A. J .; Groeger, J. (1978), „Na prahu růstu únavových trhlin“, Pokroky ve výzkumu pevnosti a lomu materiálů, Elsevier, s. 1293–1298, doi:10.1016 / b978-0-08-022140-3.50087-2, ISBN 9780080221403
- ^ Forman, R. G .; Shivakumar, V .; Cardinal, J. W .; Williams, L. C .; McKeighan, P.C. (2005). „Databáze růstu únavových trhlin pro analýzu tolerance poškození“ (PDF). FAA. Citováno 6. července 2019.
- ^ A b Ritchie, R. O. (1. listopadu 1999). "Mechanismy šíření únavových trhlin v tvárných a křehkých pevných látkách". International Journal of Fracture. 100 (1): 55–83. doi:10.1023 / A: 1018655917051. ISSN 1573-2673.
- ^ Walker, K. (1970), „The Effect of Stress Ratio during Crack Propagation and Fatigue for 2024-T3 and 7075-T6 Aluminium“, Vlivy prostředí a historie komplexního zatížení na únavový život, ASTM International, s. 1–14, doi:10,1520 / stp32032s, ISBN 9780803100329
- ^ Dowling, Norman E. (2012). Mechanické chování materiálů: technické metody deformace, lomu a únavy. Pearson. ISBN 978-0131395060. OCLC 1055566537.
- ^ „NASGRO® Fracture Mechanics & Fatigue Crack Growth Software“. Citováno 14. července 2019.
- ^ „Aktualizace počítačového programu Pravděpodobnost zlomeniny (PROF) pro analýzu rizika stárnutí letadla. Svazek 1: Úpravy a uživatelská příručka“. Citováno 14. července 2019.
- ^ „Software DARWIN pro lomovou mechaniku a hodnocení spolehlivosti“. 14. října 2016. Citováno 14. července 2019.
- ^ Zehnder, Alan T. (2012). Lomová mechanika. Přednášky z aplikované a výpočetní mechaniky. 62. Dordrecht: Springer Nizozemsko. doi:10.1007/978-94-007-2595-9. ISBN 9789400725942.
- ^ „Růst únavové trhliny“. Citováno 6. července 2019.
externí odkazy
- Forman, R. G .; Shivakumar, V .; Cardinal, J. W .; Williams, L. C .; McKeighan, P. C. (2005). „Databáze růstu únavových trhlin pro analýzu tolerance poškození“ (PDF). FAA. Citováno 6. července 2019.
- Gallagher, J. P .; Giessler, F. J .; Berens, A. P .; Engle, Jr., J. M. „Příručka USAF pro konstrukci odolnou vůči poškození: Pokyny pro analýzu a návrh konstrukcí letadel odolných vůči poškození. Revize B“. Citováno 9. července 2019.
- „Příručka pro hodnocení tolerance poškození, díl I: Úvod, Mechanika zlomenin, Šíření únavových trhlin“ (PDF). Federální letecká správa. 1993. Citováno 16. července 2019.