Численное исследование и экспериментальное подтверждение размерного эффекта гладких полуфабрикатов и полуфабрикатов с трещинами I типа.

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 7570 (2023) Цитировать эту статью

590 Доступов

Подробности о метриках

Образец полукруглого изгиба (SCB) с трещиной на кромке, подвергнутый трехточечной изгибающей нагрузке, используется во многих приложениях для измерения поведения квазихрупких материалов при разрушении. Основная цель настоящей работы заключалась в изучении влияния длины трещины на отношение радиуса образца SCB (a/R), отношения пролета к диаметру образца (S/D) и размера образца на его изгибное поведение и поведение роста трещины режима I. . Метод контурного интеграла был реализован с использованием трехмерного метода конечных элементов для определения коэффициента интенсивности напряжений режима I. Кроме того, для проверки численных результатов были проведены экспериментальные исследования образцов высокопрочного бетона. Результаты показывают, что максимальное напряжение сжатия не чувствительно к значению S/D, тогда как напряжение растяжения очень чувствительно. Величина S/D является основным параметром, контролирующим движущую силу трещины (т. е. смещение раскрытия устья трещины (CMOD) и нормированный коэффициент интенсивности напряжений YI). Для того же S/D изменение значения диаметра образца SCB оказывает незначительное влияние на CMOD и YI. Образец с S/D = 0,8 показал, что он является наиболее совместимым образцом с условиями испытаний на трехточечный изгиб, независимо от размера образца SCB. Было достигнуто хорошее согласие численных и экспериментальных результатов.

Образец полукруглого изгиба (SCB) с трещинами на краях под нагрузкой трехточечного изгиба используется для измерения поведения разрушения горных пород, бетона, асфальтовых смесей и биоматериалов1,2,3,4,5. Основное преимущество использования образца SCB состоит в том, что его можно легко извлечь из сердечников из любого материала6. Кроме того, он имеет простую геометрию и процедуру испытаний для расчета вязкости разрушения I–II в смешанном режиме7,8,9. Арсалан и др.10 недавно усовершенствовали образец SCB, чтобы добиться смешанного режима разрушения пластичного клея со значительной зоной процесса разрушения перед вершиной трещины. SIF смешанного режима является функцией отношения длин трещин a/R. Его ориентация касается направления нагрузки и расстояния между опорами11,12, как показано на рис. 1. Длина трещины оказывается более значимым фактором, чем толщина образца на SIF13. Кроме того, SIF становятся очень чувствительными при большой длине трещины к значениям отношения радиусов образца SCB (a/R)8.

Геометрия и условия нагружения образцов SCB.

Кроме того, Лим и др.14 изучили влияние a/R, отношения пролета к диаметру образца (S/D) и ориентации трещины на SIF образцов SCB при испытании на трехточечный изгиб. Они увидели, что режим II SIF становится все более доминирующим по мере уменьшения длины пролета опоры или увеличения угла и длины трещины. Они пришли к выводу, что SIF не так чувствителен к изменениям геометрии образца SCB при короткой длине трещины. Адамсон и др.15 использовали метод весовой функции для прогнозирования SIF и CMOD SCB. Кроме того, Алиха и др.16 использовали образец SCB с трещинами по краям, изготовленный из рубленых стекловолокнистых полимербетонов, при испытании на трехточечный изгиб для оценки вязкости разрушения. Кроме того, они использовали образец SCB без трещин для определения прочности на разрыв. Поле напряжений вокруг вершины трещины обычно основано на SIF, росте трещины и коэффициенте первого несингулярного члена17,18. Вязкость разрушения может быть определена по критическим напряженным состояниям или энергии вблизи вершины трещины, что необходимо для возникновения хрупкого разрушения19,20. Следовательно, необходим расчет критических напряжений и вязкости разрушения.

Многие исследователи21,22,23,24,25,26,27,28 оценивали различные испытательные образцы для измерения реальной вязкости разрушения некоторых хрупких материалов. Кроме того, многие из них изучали влияние размера дискового образца на поведение разрушения, например, Алиха и др.24, которые исследовали влияние геометрии и размера образцов SCB и круглых дисков на траектории разрушения известняковой породы при смешанном нагружении. . Кроме того, Абд-Эльхади22 изучал влияние толщины образца SCB на SIF смешанного режима I/II. Изгибающее напряжение и прогиб образцов SCB с трещинами на краях, подвергнутых трехточечному изгибающему нагружению, считались основными факторами, ответственными за распространение трещин в образцах. Стюарт и др.6 сравнили стандарты испытаний на разрушение SCB и дисково-компактного растяжения (DCT)29,30,31,32 для смесей асфальта и заполнителя. Они обнаружили, что тесты SCB измеряют низкую устойчивость к разрушению с высоким коэффициентом вариации, тогда как тест DCT измеряет устойчивость к разрушению с низким коэффициентом вариации. Напротив, Ян и др.11 сравнили три различных типа образцов с трехточечным изгибом (т. е. балку с односторонним надрезом (SENB), образец с дисковым изгибом с краевым надрезом (ENBD) и образцы SCB) для измерения вязкости разрушения. асфальтовая смесь. Образцы SENB показали самую низкую вязкость разрушения, а образцы ENBD — самую высокую. Бажант и его коллеги28 заявили, что прогресс в разработке норм проектирования и практики использования этих материалов был замедлен длительными спорами о правильной математической форме и обосновании закона размерного эффекта. Размеры стандартных образцов SCB29,30,31 составляют 150 мм в диаметре, а отношение толщины образца к его радиусу (B/R) = 1/3. Кроме того, S/D = 0,8 и a/R = 0,2.