Rạn Nứt Của Các Tấm Phân Tầng Có Đường Rạn Ở Rìa Chịu Uốn Trong Phẳng

Experimental Mechanics - Tập 53 - Trang 287-298 - 2012
U. H. Bankar1, V. Parameswaran1
1Department of Mechanical Engineering, Indian Institute of Technology Kanpur, Kanpur, India

Tóm tắt

Các cấu trúc phân tầng được sử dụng trong các hệ thống bảo vệ như giáp cá nhân và giáp nặng, kính chắn gió cũng như trong các rào cản nhiệt có độ ổn định chức năng. Mục tiêu của nghiên cứu này là hiểu rõ hành vi của các vết nứt trong các hệ thống này, đặc biệt là khi phương rạn nứt sao cho có sự thay đổi đặc tính dọc theo lòng vết nứt. Các tấm phân tầng được chuẩn bị bằng cách liên kết các tấm epoxy và Polymethylmethacrylate (PMMA) bằng keo dính epoxy. Trong số hai loại, epoxy có mô đun đàn hồi cao hơn và độ bền nứt thấp hơn so với PMMA. Hai cấu hình lớp khác nhau; một tấm epoxy đơn liên kết với một tấm PMMA đơn (hai lớp) và một tấm epoxy đơn nằm giữa hai tấm PMMA (ba lớp) đã được xem xét. Các mẫu thử có vết cắt đơn ở cạnh đã được tải trong thí nghiệm uốn ba điểm và hệ số cường độ ứng suất trung bình theo độ dày (SIF) đã được ước tính thông qua phương pháp quang đàn hồi. Tiếp theo, hành vi kéo dài vết nứt trong các tấm này cũng đã được điều tra. Trong cả hai cấu hình, sự phát triển của vết nứt bắt đầu trong lớp epoxy trước và mở rộng ổn định trước khi bắt đầu kéo dài vết nứt trong lớp PMMA. Một khi quá trình kéo dài vết nứt bắt đầu trong lớp PMMA, tấm mất đi tính toàn vẹn cấu trúc. Đã quan sát thấy rằng việc bắt đầu kéo dài vết nứt trong lớp epoxy có thể được dự đoán bằng cách sử dụng SIF trung bình theo độ dày. Một phương pháp sử dụng phân tích vết nứt vá được trình bày để ước lượng lực mà tại đó tấm hoàn toàn mất khả năng chịu tải. Các ước lượng từ phương pháp này khớp với kết quả thực nghiệm.

Từ khóa

#rạn nứt #tấm phân tầng #uốn trong phẳng #độ bền nứt #cường độ ứng suất #epoxy #PMMA

Tài liệu tham khảo

Rice JR, Sih GC (1965) Plane problems of cracks in dissimilar media. J Appl Mech 32:418–423 Xu L, Tippur HV (1995) Fracture parameters for interfacial cracks: an experimental-finite element study of crack tip fields and crack initiation toughness. Int J Fract 71:345–363 Ricci V, Shukla A, Singh RP (1997) Evaluation of fracture mechanics parameters in bimaterial systems using strain gauges. Eng Fract Mech 58:273–283 Erdogan F, Biricikoglu V (1973) Two bonded half planes with a crack going through the interface. Int J Eng Sci 11:745–766 Tippur HV, Rosakis AJ (1991) Quasi-static and dynamic crack growth along bimaterial interfaces: a note on crack-tip field measurements using coherent gradient sensing. Exp Mech 31:243–251 Yang W, Suo Z, Shih CH (1991) Mechanics of dynamic debonding. Proc Royal Soc (London) A433:679–697 Liu C, Lambros J, Rosakis AJ (1993) Highly transient elastodynamic crack growth in a bimaterial interface: higher order asymptotic analysis and optical experiments. J Mech Phys Solids 41:1857–1954 Singh RP, Shukla A (1996) Subsonic and intersonic crack growth along a bimaterial interface. J Appl Mech 63:919–924 Singh RP, Kavaturu M, Shukla A (1997) Initiation, propagation and arrest of an interface crack subjected to controlled stress wave loading. Int J Fract 83:291–304 Shukla A, Kavaturu M (1998) Opening-mode dominated crack growth along inclined interfaces: experimental observations. Int J Solids Struct 35:3961–3975 Singh RP, Parameswaran V (2003) An experimental investigation of dynamic crack propagation in a brittle material reinforced with a ductile layer. Opt Lasers Eng 40:289–306 Erdogan F (1995) Fracture mechanics of functionally graded materials. Compos Eng 5:753–770 Gu P, Asaro RJ (1997) Cracks in functionally graded materials. Int J Solids Struct 34:1–17 Parameswaran V, Shukla A (2002) Asymptotic stress fields for stationary cracks along the gradient in functionally graded materials. J Appl Mech 69:240–243 Parameswaran V, Shukla A (2002) Near-tip out of plane displacement fields for dynamic crack propagation in functionally graded materials. Mech Res Commun 29:397–405 Jain N, Shukla A, Rousseau CE (2004) Crack tip stress fields in materials with linearly varying properties. Theor Appl Fract Mech 42:155–170 Chalivendra VB (2008) Mode-I crack-tip stress fields for inhomogeneous orthotropic medium. Mech Mater 40:293–301 Kubair DV (2011) Analysis and finite element simulations of the near-tip singular fields around a mode-3 stationary crack in plastically graded materials. Int J Solids Struct 48:428–440 Parameswaran V, Shukla A (1998) Dynamic fracture of a functionally gradient material having discrete property variation. J Mater Sci 33:3303–3311 Rousseau CE, Tippur H (2001) Dynamic fracture of compositionally graded materials with cracks along the elastic gradient: experiments and analysis. Mech Mater 33:403–421 Abanto-Bueno J, Lambros J (2006) An experimental study of mixed mode crack initiation and growth in functionally graded materials. Experimental Mechanics 46:179–196 Jain N, Shukla A (2006) Mixed mode dynamic fracture in particulate reinforced functionally graded materials. Experimental Mechanics 46:137–154 Ayhan AO (2007) Stress intensity factors for three-dimensional cracks in functionally graded materials using enriched finite elements. Int J Solids Struct 44:8579–8599 Ayhan AO (2009) Three-dimensional mixed-mode stress intensity factors for cracks in functionally graded materials using enriched finite elements. Int J Solids Struct 46:796–810 Walters MC, Paulino GH, Dodds RH Jr (2004) Stress intensity factors for surface cracks in functionally graded materials under mode-I thermo mechanical loading. Int J Solid Struc 41:1081–1118 Yildirim B, Dag S, Erdogan F (2005) Three dimensional fracture analysis of FGM coatings under thermo mechanical loading. Int J Fract 132:369–395 Badaliance R, Sih GC (1975) An approximate three-dimensional theory of layered plates containing through thickness cracks. Eng Fract Mech 7:1–22 Wadgaonkar SC, Parameswaran V (2009) Structure of near tip stress field and variation of stress intensity factor for a crack in a transversely graded material. Journal of Applied Mechanics 76(1):011014 Kommana R, Parameswaran V (2009) Experimental and numerical investigation of a cracked transversely graded plate subjected to in plane bending. Int J Solids Struct 46:2420–2428 Kidane A, Shukla A (2010) Quasi-static and dynamic fracture initiation toughness of Ti/TiB layered functionally graded material under thermo-mechanical loading. Eng Fract Mech 77:479–491 Dally JW, Riley WF (2001) Experimental stress analysis, 3rd edn. College House Enterprise, Knoxville Anderson TL (1995) Fracture mechanics: fundamentals and applications, 2nd edn. CRC Press, Boca Raton Sanford RJ, Dally JW (1979) A general method for determining mixed mode stress intensity factors from isochromatic fringe patterns. Eng Fract Mech 11:621–633 Hartranft RJ, Sih GC (1970) An approximate three-dimensional theory of plates with application to crack problem. Int J Eng Sci 8:711–729 Villarreal G, Sih GC, Hartranft RJ (1975) Photoelastic investigation of thick plate with a transverse crack. J Appl Mech 42:9–13 Nakamura T, Parks DM (1988) Three-dimensional stress field near the crack front in a thin elastic plate. J Appl Mech 55:805–813 Williams ML (1957) On the stress distribution at the base of a stationary crack. J Appl Mech 24:109–114 Rose LRF (1988) Theoretical analysis of crack patching. In: Baker AA, Jones R (eds) Bonded Repair of Aircraft Structures. Martinus Nijhoff Publishers, The Netherlands