تحلیل عددی نمونه جدید آزمایشگاهی جهت انجام آزمایش های شکست تحت بارگذاری مود مرکب I/III

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 استادیار، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل

2 کارشناس ارشد، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل

چکیده

هندسه قطعه آزمایشگاهی به منظور انجام آزمایش‌های شکست یکی از چالش‌های مهم در تعیین استحکام شکست مواد می‌باشد. در این پژوهش، یک نمونه جدید آزمایشگاهی موسوم به "نیم‌دیسک خمشی حاوی ترک سه‌بعدی" جهت بررسی رفتار شکست مواد مهندسی تحت بارگذاری مرکب کششی-برشی خارج صفحه‌ای (I/III) پیشنهاد شده است. این نمونه نیم‌دیسک شکل، حاوی ترک مورب بوده و بصورت خمش سه نقطه‌ای بارگذاری می‌شود. به منظور محاسبه ضرایب شدت تنش در نوک ترک نمونه پیشنهادی با پارامترهای هندسی و بارگذاری مختلف، تحلیل‌های گسترده اجزای محدود در نرم‌افزار آباکوس بصورت سه‌بعدی انجام گرفته است. نتایج تحلیل‌ها نشان داد که این نمونه قادر به ایجاد مود مرکب I/III بوده، بطوری که با افزایش زاویه ترک، سهم مود III افزایش می‌یابد. در مرحله بعد به منظور بررسی قابلیت عملیاتی بودن نمونه پیشنهادی، چند نمونه از جنس بتن آسفالتی ساخته و تحت مودهای مختلف مرکب I/III مورد آزمایش تجربی قرار گرفت. نتایج نشان داد که نمونه پیشنهادی به درستی می‌تواند مود بارگذاری I/III را شبیه‌سازی کند. همچنین نتایج شکست نشان داد که با افزایش مود III، استحکام شکست بتن آسفالتی کاهش می‌یابد. از طرف دیگر، بررسی سطح شکست نمونه‌ها نشان داد که در حالت بارگذاری مود III، مسیر رشد ترک بصورت پیچشی بوده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Shameli M, Choupani N, Razav MK (1395) Measurement of Mixed-mode Fracture Toughness of Polypropylene using Multi-specimen J-integral Method. Modares Mech Eng 16(4): 333-344.

[2] Talezadeh Lari A, Sadighi M (1392) Numerical analysis of the fracture parameters in the sliding contact problem between a rigid flat punch and a functionally graded semi-infinite medium in the presence of a surface crack. Modares Mech Eng 13(12): 14-24.

[3] Saeedifar M, Fotouhi M, Mohammadi R, Ahmadi Najafabadi M, Hosseini Toudeshki H (1393) Investigation of delamination and interlaminar fracture toughness assessment of Glass/Epoxy composite by acoustic emission. Modares Mech Eng 14(4): 1-11.

[4] Movahhedi Aleni H, Liaghat GH, Pol MH, Afrouzian A (1394) An experimental investigation on mode-II interlaminar fracture toughness of nanosilica modified glass/epoxy fiber-reinforced laminates. Modares Mech Eng 15(3): 283-290.

[5] Ghajar R, Varavi MR, Peyman S (1395) Calculation of static and dynamic stress intensity factors in orthotropic functionally graded materials using displacement correlation technique. Modares Mech Eng 16(3): 79-86.

[6] Ayatollahi MR, Pirmohammad S (2013) Temperature effects on brittle fracture in cracked asphalt concretes. Struct Eng Mech 45(1): 19-32.

[7]  Pirmohammad S, Ayatollahi MR (2014) Fracture resistance of asphalt concrete under different loading modes and temperature conditions. Const Build Mater 53: 235–242.

[8]  Pirmohammad S, Ayatollahi MR (2014) Asphalt concrete resistance against fracture at low temperatures under different modes of loading. Cold Region Sci Technol 110: 149-159.

[9] Torabi AR, Majidi HR, Ayatollahi MR (1396) Fracture prediction of  key-hole notched graphite plates by using the strain energy density based on the equivalent factor concept. Solids Fluids Mech 7(2): 1-15.

[10] Ameri M, Mansourian A, Heidary Khavas M, Aliha MRM, Ayatollahi MR (2011) Cracked asphalt pavement under traffic loading – A 3D finite element analysis. Eng Fract Mech 78(8) 1817–26.

[11] Liu S, Chao YJ, Zhu X (2004) Tensile-shear transition in mixed mode I/III fracture. Int J Solids Struct 41(22) 6147–6172.

[12] Susmel L, Taylor D (2008) The theory of critical distances to predict static strength of notched brittle components subjected to mixed-mode loading. Eng Fract Mech 75(3): 534-550.

[13] Schroth JG, Hirth JP, Hoagland RG, Rosenfield AR (1987) Combined mode I-mode III fracture of a high strength low-alloy steel. Metall Trans A 18(13): 1061–1072.

[14] Kamat SV, Hirth JP, Mehrabian R (1989) Combined mode I-Mode III fracture toughness of alumina particulate-reinforced aluminum alloy-matrix composites. Scr Metall 23(4): 523-528.

[15] Seifi R, Omidvar N (2013) Fatigue crack growth under mixed mode I + III loading. Mar Struct 34: 1-15.

[16] Rao BC, Srinivas M, Kamat SV (2008) The effect of mixed mode I/III loading on the fracture toughness of Timetal 834 titanium alloy. Mater Sci Eng A 476(1–2): 162–168.

[17] Ayatollahi MR, Aliha MRM (2011) Fracture analysis of some ceramics under mixed mode loading. J Am Ceram Soc 94(2): 561–569.

[18] Liu S, Chao YJ, Zhu X (2004) Tensile-shear transition in mixed mode I/III fracture. Int J Solids Struct 41(22): 6147–6172.

[19] Pook LP (1985) The fatigue crack direction and threshold behaviour of mild steel under mixed mode I and III loading. Int J Fatigue 7(1): 21-30.

[20] LI HF, QIAN CF (2011) Experimental study of I + III mixed mode fatigue crack transformation propagation. Fatigue Fract Eng 34: 53-59.

[21] Feng X, Kumar AM, Hirth JP (1993) Mixed mode I/III fracture toughness of 2034 aluminum alloys. Acta Metall Mater 41(9): 2755–2764.

[22] Ayatollahi MR , Saboori B (2015)  A new fixture for fracture tests under mixed mode I/III loading, Eur J Mech A/Solids 51: 67-76.

[23] Saboori B,  Ayatollahi MR (2018) A novel test configuration designed for investigating mixed mode II/III fracture. Eng Fract Mech 197: 248-258.

[24] Mansourian A, Hashemi S, Aliha MRM (2018) Evaluation of pure and mixed modes (I/III) fracture toughness of Portland cement concrete mixtures containing reclaimed asphalt pavement. Construct Build Mater 178: 10-18.

[25] Saboori B,  Ayatollahi MR, Torabi AR,  Berto F (2016) Mixed mode I/III brittle fracture in round-tip V-notches. Theor Appl Fract Mech 83: 135-151.

[26] Aliha MRM,  Linul E,  Bahmani A,  Marsavina L (2018) Experimental and theoretical fracture toughness investigation of PUR foams under mixed mode I+III loading. Polym Test 67: 75-83.

[27] Aliha MRM, Fazaeli H, Aghajani S, Moghadas Nejad F (2015) Effect of temperature and air void on mixed mode fracture toughness of modified asphalt mixtures. Construct Build Materi 95: 545-555.

[28] Ayatollahi MR, Pirmohammad S (2013) Temperature effects on brittle fracture in cracked asphalt concretes. Struct Eng Mech 45: 19-32, 2013.

[29] Li XJ, Marasteanu MO (2010) Using semicircular bending test to evaluate low temperature fracture resistance for asphalt concrete. Exp Mech 50: 867-76.

[30] Chong KP, Kuruppu MD (1984) New specimen for fracture toughness determination of rock and other materials, Int J Fract 26: 59–62.

[31] Lazarus VE, Leblond JB, Mouchrif SE (2001) Crack front rotation and segmentation in mixed mode I + III or I + II + III. Part I: Calculation ofstress intensity factors. J Mech Phis Solids 49: 1399-1420.

[32] Yates JR, Mohammed RA (1994) Crack propagation under mixed mode (I+III) loading. Pro. 4th Int Conference on Biaxial Multiaxial Fatigue, Saint-Germain-en-Laye, France 2: 99–106.

[33] Hubbard S (1995) Determining the fatigue threshold and crack propagation properties of a steel under mixed mode I and III loading. M.Sc. Dissertation, SheLeld University, SheLeld.

[34] Pook LP A (1993) Finite element analysis of the angled slit specimen. In: Mixed Mode Fatigue and Fract, London 285-302.

[35] Aliha MRM, Bahmani A, Akhondi Sh (2015) Numerical analysis of a new mixed mode I/III fracture test specimen, Eng Fract Mech 134: 95-110.

[36] Timm D, Birgisson B, Newcomb D, Development of mechanistic empirical pavement design in Minnesota. Transport Res Rec 1629(1): 181-188.

[37] Molenaar AAA, Scarpas A, Liu X, Erkens G (2002) Semi-circular bending test; simple but useful. J Assoc Asphalt Technol 71: 794–815.