Analýza formování únavové trhliny při zatěžování s proměnnou amplitudou využitím Strip Yield Modelu

Abstract

Tato práce se věnuje predikci šíření únavové trhliny při zatěžování s proměnnou amplitudou. Je uveden teoretický základ části lomové mechaniky v oblasti napjatosti na čele trhliny a plastické zóny. Pozornost je věnována „out-of-plane“ stísnění deformace. Napjatost v okolí čela trhliny a plastická zóna jsou analyzovány metodou konečných prvků na modelu zkušebního tělesa s centrální trhlinou M(T). Prostorové formování plastické zóny je vyhodnoceno ve vzestupné části zatěžovacího kmitu při jednom i vícenásobném zatížení. Z hlediska predikčních modelů šíření trhliny je představeno několik deterministických modelů. Newmanův Strip Yield Model je rozebrán šířeji. Použitím tohoto modelu je zkoumán vliv tloušťky zkušebních těles vyrobených z hliníkových slitin 2124 a 7475 na jejich únavový život. Je potvrzena závislost doby šíření únavové trhliny na tloušťce tělesa při zatěžování s proměnnou amplitudou, projevující se však pouze při určité zatěžovací sekvenci. Na základě konečně-prvkového rozboru napjatosti a stísnění deformace v okolí čela trhliny je navrhnuto rozšíření Strip Yield Modelu. První rozšíření zavádí spojitý popis stísnění deformace v závislosti na poměru tloušťky tělesa k velikosti plastické zóny a druhé rozšíření popisuje změnu parametru stísnění deformace ve vzestupné části kmitu. Zavedením obou rozšíření se ukazuje, že upravený Strip Yield Model je citlivý na tloušťku tělesa a popisuje šíření trhliny věrohodněji než základní model.

This thesis deals with the prediction of crack growth under variable amplitude loading. The theoretical background of fracture mechanics in areas of stress field around the crack tip and the plastic zone are introduced. The focus is on the out-of-plane constraint at the crack tip. The finite-element (FE) method is employed in the analysis of test specimen with central crack M(T). Three-dimensional forming of plastic zone is analysed in the upward part of loading cycle under single and cyclic loading. Several deterministic prediction models of crack growth are introduced with the focus on Newman´s Strip Yield Model. The influence of specimen thickness on the fatigue life is analysed using this model. The specimens were made from aluminium alloys 2124 and 7475. The crack growth dependence on the specimen thickness is proved under variable amplitude loading, but only certain loading sequence showed the dependency. The modification of Strip Yield Model is proposed based on the FE analysis of stress and strain field around the crack tip. The first modification introduces continuous relationship of the constraint development on the rate of the thickness versus plastic zone size and the second modification describes the change of the constraint factor in upward part of the cycle. Introducing both modifications the thickness dependence of the modified model is shown and the crack growth is described more reliably than using basic model.