Informacja o cookies

Zgadzam się Nasza strona zapisuje niewielkie pliki tekstowe, nazywane ciasteczkami (ang. cookies) na Twoim urządzeniu w celu lepszego dostosowania treści oraz dla celów statystycznych. Możesz wyłączyć możliwość ich zapisu, zmieniając ustawienia Twojej przeglądarki. Korzystanie z naszej strony bez zmiany ustawień oznacza zgodę na przechowywanie cookies w Twoim urządzeniu.

Publikacje Pracowników Politechniki Lubelskiej
MNiSW
80
Poziom I
Status:
Warianty tytułu:
Modeling of crack propagationin brittle materials
Autorzy: Gontarz Jakub
Dyscypliny:
Aby zobaczyć szczegóły należy się zalogować.
Rok wydania: 2022
Serie:
Monografie - Politechnika Lubelska
Wersja dokumentu: Drukowana | Elektroniczna
Język: polski
Liczba stron: 189
Miejsce wydania: Lublin
Wydawnictwo: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
Efekt badań statutowych NIE
Materiał konferencyjny: NIE
Publikacja OA: TAK
Licencja:
Sposób udostępnienia: Witryna wydawcy
Wersja tekstu: Ostateczna wersja opublikowana
Czas opublikowania: W momencie opublikowania
Data opublikowania w OA: 17 listopada 2022
Abstrakty: polski | angielski
Głównym celem niniejszej pracy było stworzenie własnej metody przewidy- wania propagacji szczeliny z użyciem tzw. procedur (podprogramów) użytkow- nika w systemie Abaqus z wykorzystaniem wzbogacania funkcji kształtu elementów metodą X-FEM. Zaimplementowano 4 metody przewidywania kierunku propagacji szczeliny: kryterium maksymalnych naprężeń głównych, kryterium Ottosena-Podgórskiego, własne kryterium oparte na przemieszcze- niach wokół wierzchołka szczeliny oraz kryterium maksymalnego obwodowego naprężenia stycznego (MTS). W pracy zweryfikowano skuteczność działania autorskiej metody w porównaniu do metody wbudowanej, na podstawie czterech rodzajów symulacji: badanie trójpunktowego zginania belki z nacięciem, bada- nie czteropunktowego zginania belki z nacięciem, próba wyciągania kotwy i próba rozciągania przy rozłupywaniu metodą brazylijską. W ramach przeglądu literatury opisano podstawowe pojęcia dotyczące me- chaniki pękania, przedstawiono metody komputerowego symulowania pękania, ze szczególnym uwzględnieniem metody X-FEM, opisano najbardziej po- wszechne kryteria zniszczenia materiału oraz zaprezentowano szereg aktualnych publikacji dotyczących implementacji własnych kryteriów propagacji szczeliny w programie Abaqus. Opisywane metody są w wielu przypadkach nieskompli- kowane, a większość przedstawionych badań dotyczy pękania modeli wykona- nych z kompozytów lub stali. Brakuje prac opisujących symulacje pękania materiałów kruchych, zwłaszcza skał. W pracy przedstawiono analizę teoretyczną dwóch badań: badanie wytrzy- małości na rozciąganie przy rozłupywaniu metodą brazylijską i próbę wyciąga- nia kotwy. Rozważania te posłużyły do wyprowadzenia prawidłowych założeń dotyczących autorskiej metody przewidywania propagacji szczeliny. Analiza próby brazylijskiej pozwoliła stworzyć metodę wyznaczania prawidłowej wy- trzymałości na rozciąganie dla dowolnego materiału kruchego, która daje do- kładniejsze wyniki niż wzory normowe. Analiza próby wyciągania kotwy została wykorzystana na potrzeby weryfikacji wyników otrzymanych w symula- cjach komputerowych. Opracowano prostą metodę poszukiwania siły wyrywają- cej kotwę w tym badaniu. Na potrzeby rozprawy przeprowadzono szereg badań laboratoryjnych. Przed- stawione badania pozwoliły otrzymać parametry mechaniczne porowatego gipsu i wybranych rodzajów piaskowca oraz porfiru. Badania porowatego gipsu wy- konano na potrzeby weryfikacji skuteczności działania opracowanej metody wyznaczania wytrzymałości na rozciąganie zmodyfikowaną metodą brazylijską. Otrzymane wyniki są zbliżone do wyników otrzymanych z badania czystego.
The main goal of this study was to create an own method of predicting the fracture propagation using the so-called user subroutines in the Abaqus system with the method of enriching the shape function of elements (X-FEM). Four methods of predicting the crack propagation direction have been implemented: the criterion of maximum principal stresses, the Ottosen-Podgórski criterion, own criterion based on displacements around the crack tip, and the maximum tensile hoop stress criterion (MTS). The study verified the effectiveness of the author’s method in comparison to the built-in method, on the basis of four types of simulations: three-point bending of a notched beam, four-point bending of a notched beam, anchor "pull-out" test and tensile splitting by "Brazilian" test. As part of the literature review, the basic concepts of fracture mechanics are described, as well as several methods of computer fracture simulation, with particular emphasis on the X-FEM method are presented. The most common material failure criteria are described. A number of current papers concerning the implementation of own fracture propagation criteria in the Abaqus program are presented. The described methods are in many cases uncomplicated, and most of the presented research concerns cracking of composites or steel. There are no studies describing the simulations of fracture of brittle materials, especial- ly rocks. The dissertation presents a theoretical analysis of two tests: the tensile- splitting test using the "Brazilian" method and the anchor “pull-out” test. These considerations were used to derive the correct assumptions regarding the own method of predicting the crack propagation angle. The analysis of the "Brazili- an" test allowed to create a method for determining the correct tensile strength for any brittle material, which gives more accurate results than the standard formulas. The analysis of the "pull-out" test was used to verify the results ob- tained in computer simulations. A simple method of searching for the anchor “pull-out” critical force in this test was found. For the purposes of the dissertation, a number of laboratory tests were con- ducted. The presented research allowed to obtain the mechanical parameters of porous gypsum and selected types of sandstone and porphyry. The tests of porous gypsum were carried out to verify the effectiveness of the developed method of determining the tensile strength by the modified "Brazilian" method. The obtained results are similar to those obtained from the beam bending test. The tests of sandstone and porphyry allowed to obtain strength parameters, which were used to correctly model the "pull-out" test in computer simulations. For the purposes of the simulation, the results obtained for sandstone from the Brenna mine in Poland were used. In the case of numerical analyzes, the effectiveness of own method of pre- dicting the crack propagation in the Abaqus system was analyzed. The default fracture propagation criterion works in a simple manner - the fracture is directed towards the maximum principal stress direction. Unfortunately, the results obtained with this method are incorrect. From a certain point, the crack begins to twist unrealistically in some simulations, and in others the calculations are interrupted by an error. The author programed the maximum principal stress criterion in Fortran as the user subroutine UDMGINI. Author’s method is based on the Westergaard solution of the Griffith’s crack. In each load increment, the stresses at several dozen integration points around the crack tip are read, then the principal stresses at these points are calculated, reduced to a unit radius and the fracture is directed at an angle for which the function of the dependence between the principal stresses and the angle around the crack tip is takes a local mini- mum. The other criteria mentioned above were implemented in a similar way. The author’s method allows to obtain results much closer to reality than those obtained with the built-in method. In most cases, each criterion can predict a crack path close to the path in actual tests. The author’s method has many advantages: calculations are relatively quick, they are almost completely inde- pendent of the size of the finite element mesh, and its implementation is easy for an experienced user of the Abaqus system. However, this method has some limitations, mainly due to the lack of full user access to the Abaqus solver. In the future, it is planned to simulate other test.