Three dimensional fracture analysis of orthotropic materials

Abstract

Bu çalışmanın temel amacı, mekanik veya ısıl yüklemeye maruz kalan ortotropik malzemelerin üç boyutlu yüzey çatlak sorunlarını incelemektir. Çatlaklar, yarı-eliptik geometriye sahip olacak şekilde modellenerek ortotropik malzeme içine yerleştirilmiştir. Modelde özel elemanlar kullanmak, çatlak ucu bölgesi boyunca tekil alan çözümlerini de elde edebilmeyi mümkün kılmaktadır. Gerilme şiddet faktörünü hesaplamak için üç boyutlu sonlu eleman çözüm teknikleri uygulanmıştır. Gerilim şiddeti faktörü, deplasman korelasyon tekniği kullanılarak hesaplanmıştır. 20- düğümlü izo-parametrik elemanlar yarı eliptik çatlak ucu çözümlerinde kullanılmıştır. Yüzey çatlakları, hem mekanik, hem ısıl gerilme etkisi altında analiz edilmiştir. Mekanik yükleme analizlerinde, sabit noktadan gerilme yükleme ve sabit gerginlik durumları uygulanmıştır. Isıl yüklemede ise sınır koşulları tanımlanmıştır. Literatürde bulunan, doğruluğu ispatlanmış sonuçlar, geliştirilen yöntemin doğrulanmasında kullanılacaktır.

The main objective of this study is to examine the three-dimensional surface crack problems in orthotropic materials subjected to mechanical or thermal loading. The cracks are modeled and embedded in the orthotropic material by considering semielliptical crack front geometry. In the model special elements are embedded in the crack front region, in this way it is possible to include crack tip singular fields along the crack front. Three-dimensional finite element analyses are conducted to obtain mode I stress intensity factors. The stress intensity factor is calculated by using the displacement correlation technique. In the analysis, collapsed 20-node iso-parametric elements are utilized to simulate strain singularity around the semi-elliptical crack front. The surface crack problem is analyzed under both mechanical and thermal stresses. In the case of mechanical loading, uniform tension and fixed grip tension loading cases are applied on the model. In thermal analysis, thermal boundary conditions are defined. Comparisons of the results generated to those available in the literature verify the developed techniques.