Numerical Analysis of Crack Propagation Path Using an Advanced Element Cracking Method

Abstract

The determination of the crack path is important for predicting the unexpected failures or assessing fatigue life in engineering material. To simulate the crack path under mixed mode loading using a finite element model, a new local element cracking technique was proposed. The waiting cracking element was divided into two units along crack propagation direction based on the maximum circumference ( 0) KII criterion. Then, the information of element number and nodal number was also modified and singular elements were avoided by the transfixion method. With advantages of small remeshing only on a local region, this method also examined three classic problems of stationary crack growth, i.e., edge crack propagation in double cantilever beam, mode I cracking in an asphalt concrete beam, a crack in typical longitudinal connection of large natural gas carriers. The calculated stress intensity factors and the predicted crack trajectories using this method agree well with the theoretical solutions existing in literature. Optimal design of structure against failure by fast fracture is discussed.

Определение траектории трещины является важным при прогнозировании непредвиденного разрушения или при оценке усталостной долговечности конструкционного материала. Предложен новый метод моделирования траектории локальной трещины при нагружении смешанного типа с помощью модели, основанной на методе конечных элементов. Элемент, моделирующий трещину, разбивают на два вдоль распространения трещины с использованием критерия максимальных касательных напряжений (KII 0). Затем изменяется информация о номерах элемента и узла, поскольку метод трансфикции исключает использование сингулярных элементов. Преимущества незначительного перестроения конечноэлементной сетки только в локальной зоне позволили исследовать с помощью предложенного метода три классические проблемы роста стационарной трещины, т.е. распространение краевой трещины в двухконсольной балке, моделирование трещинообразования в асфальтобетонных балках и трещина в стандартном продольном соединении в газопроводе. Расчетный коэффициент интенсивности напряжений и траектория трещины, спрогнозированная с помощью описанного метода, хорошо соответствуют теоретическим данным, представленным в литературных источниках. Рассмотрена оптимальная конструкция структуры, которой несвойственно быстрое разрушение.

Визначення траєкторії тріщини є важливим при прогнозуванні непередбачуваного руйнування або при оцінці довговічності від утомленості конструкційного матеріалу. Запропоновано новий метод моделювання траєкторії локальної тріщини під час навантаження змішаного типу за допомогою моделі, що базується на методі скінченних елементів. Елемент, що моделює тріщину, розбивають на два вздовж поширення тріщини з використанням критерію максимальних дотичних напружень ( ). KII 0 Далі змінюється інформація щодо номерів елемента і вузла, оскільки метод трансфікції виключає використання сингулярних елементів. Переваги незначної перебудови скінченноелементної сітки тільки в локальній зоні дозволили за допомогою запропонованого методу дослідити три класичні проблеми росту стаціонарної тріщини: поширення краєвої тріщини в двоконсольній балці, моделювання тріщиноутворення в асфальтобетонних балках і тріщина в стандартному поздовжньому з’єднанні у газопроводі. Розрахунковий коефіцієнт інтенсивності напружень і траєкторія тріщини, спрогнозована за допомогою описаного методу, добре відповідають теоретичним даним, представленим у літературних джерелах. Розглянуто оптимальну конструкцію структури, якій невластиве швидке руйнування.