بررسی کارایی معیار انتگرال J برای پیش‌بینی شکست در فوم سخت پلی‌اورتان دارای ترک در مودهای ترکیبی I/II و I/III

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه یزد، یزد، ایران

10.22044/jsfm.2024.14305.3847

چکیده

پژوهش حاضر به بررسی و ارزیابی معیار انتگرال J برای فوم پلی‌اورتان سخت با استفاده از دیسک دارای ترک لبه‌ای تحت خمش که تحت مودهای ترکیبی I/II و I/III بارگذاری می‌شود، می‌پردازد. هدف اصلی این مطالعه، اولاً ارائه روابط انتگرال J با رهیافتی جدید مبتنی بر چگالی انرژی کرنشی در یک ماده الاستیک خطی بارگذاری شده تحت مودهای ترکیبی است. بدین منظور، ابتدا روابط مربوطه برای شیار V شکل استخراج شده و سپس به ترک تعمیم داده شده است. هدف ثانویه این پژوهش، پیش‌بینی بار شکست با استفاده از معیار انتگرال J در مودهای ترکیبی I/II و I/III در فوم‌های پلی‌اورتان سخت است. برای بررسی صحت معیار، با بهره‌گیری از نتایج تجربی پژوهشی پیشین و با استفاده از مدل‌سازی عددی یک نمونه دیسک تضعیف شده با ترک، بار شکست نمونه در مودهای ترکیبی I/II و I/III طبق معیار انتگرال J پیش‌بینی شده است. نتایج نشان از دقت بالای معیار در پیش‌بینی بار شکست نمونه‌ها در مودهای ترکیبی دارد؛ به‌گونه‌ای که حداکثر درصد خطا 8% بوده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Zhang J, Ashby M (1994) Mechanical selection                    of foams and honeycombs used for packaging and energy absorption. J. Mater. Sci. 29: 157-163.
[2] Avalle M, Belingardi G, Montanini R (2001) Characterization of polymeric structural foams under compressive impact loading by means of energy-absorption diagram. Int. J. impact Eng. 25(5): 455-472.
[3] Saha M, Mahfuz H, Chakravarty U, Uddin M, Kabir ME, Jeelani S (2005) Effect of density, microstructure, and strain rate on compression behaviour of polymeric foams. Mater. Sci. Eng.: A 406(1-2): 328-336.
[4] Serrano A, Borreguero AM, Garrido I, Rodríguez JF, Carmona M (2017) The role of microstructure on the mechanical properties of polyurethane foams containing thermoregulating microcapsules. Polym. Test. 60: 274-282.
[5] Linul E, Şerban DA, Marsavina L, Sadowski T (2017) Assessment of collapse diagrams of rigid polyurethane foams under dynamic loading conditions. Arch. Civ. Mech. Eng. 17(3): 457-466.
[6] He H, Fan H (2022) Dynamic theory of sandwich meta-panel under blast load. Euro. J. Mech. A/Solids 94: 104599.
[7] Marsavina L (2010) Fracture mechanics of cellular solids. Cell. Porous Mater. Struct. Process. 521: 1-46.
[8] فریدون ع، یکتای‌کیا ف (2009) تحلیل ترک در مواد مرکب به وسیله روش انرژی، مدل سازی در مهندسی. 3(17): 55-65.
[9] Rice JR (1968) A path independent integral and the approximate analysis of strain concentration by notches and cracks. J. Appl. Mech. 35(2): 379-386.
[10] Shih C, Hutchinson J (1976) Fully plastic solutions and large-scale yielding estimates for plane stress crack problems. J. Eng. Mater. Tech. 98(4): 289-295.
[11] Amestoy M, Bui H, Labbens R (1981) On the definition of local path independent integrals in three-dimensional crack problems. Mech. Res. Commun. 8(4): 231-236.
[12] Shih C, Moran B, Nakamura T (1986) Energy release rate along a three-dimensional crack front in a thermally stressed body. Int. J. Fract. 30: 79-102.
[13] Sakata M, Aoki S, Kanzawa M, Ogure N, Tateishi K (1978) J-integral approach to fracture of rotating disk. J. Eng. Mater. Tech. 100(2): 128-133.
[14] Singh R, Parihar K (1986) The J-integral as a fracture criterion for polycarbonate thermoplastic. J. Mater. Sci. 21: 3921-3926.
[15] Vukelić G, Brnić J (2011) J-integral as possible criterion in material fracture toughness assessment. Eng. Rev. 31: 91-96.
[16] Marsavina L, Constantinescu DM, Linul E, Apostol DA, Voiconi T, Sadowski T (2014) Refinements on fracture toughness of PUR foams. Eng. Fract. Mech. 129: 54-66.
[17] Marsavina L, Constantinescu DM, Linul E, Voiconi T, Apostol DA (2015b) Shear and mode II fracture of PUR foams. Eng. Fail. Anal. 58: 465-476.
[18] سلیمانی م، طهانی م، زمانی پ (2018) بررسی اثر ناحیه غنی از رزین بر رشد ترک در هسته‌ی فومی پره کامپوزیتی توربین بادی به روش المان محدود، مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها. 8(4): 38-27.
[19] پیرمحمد س، کیانی ا (2018) تحلیل عددی نمونه جدید آزمایشگاهی جهت انجام آزمایش‌های شکست تحت بارگذاری مود مرکب I/III، مکانیک سازه‌ها و شاره‌ها. 8(3): 247-259.
[20] Aliha M, 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.
[21] Aliha M, Mousavi S, Bahmani A, Linul E, Marsavina L (2019) Crack initiation angles and propagation paths in polyurethane foams under mixed modes I/II and I/III loading. Theor. Appl. Fract. Mech. 101: 152-161.
[22] Shahbazian B, Mirsayar M, Aliha M, Darvish MG, Asadi MM, Haghighatpour PJ (2022) Experimental and theoretical investigation of mixed-mode I/II and I/III fracture behaviour of PUR foams using a novel strain-based criterion. Int. J. Solids. Struct. 258: 111996.
[23] Imani D, Aliha M, Linul E, Marsavina L (2022) A suitable mixed mode I/II test specimen for fracture toughness study of polyurethane foam with different cell densities. Theor. Appl. Fract. Mech. 117: 103171.
[24] Vantadori S, Carpinteri A, Cerioni R, Ronchei C, Scorza D, Zanichelli A, Marsavina L (2023) Fracture toughness of a rigid polyurethane foam: experimental and numerical investigation by varying the specimen sizes. Fatigue. Fract. Eng. Mater. Struct. 46(10): 3654-3666.
[25] Gdoutos EE (2020) J-Integral and Crack Opening          Displacement Fracture Criteria. 3rd edn. Cham, 263: 167-213.
[26] Matvienko YG, Morozov E (2004) Calculation of the energy J-integral for bodies with notches and cracks. Int. J. Fract. 125: 249-261.
[27] Matvienko YG (1994) J-estimation formulas for nonlinear crack problems. Int. J. frac. 68: R15-R18.
[28] Berto F, Lazzarin P, Matvienko YG (2007) J-integral evaluation for U-and V-blunt notches under Mode I loading and materials obeying a power hardening law. Int. J. Fract. 146: 33-51.