スムースおよびモード I クラックセミのサイズ効果の数値研究と実験的検証

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7570 (2023) この記事を引用

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3 点曲げ荷重を受けたエッジ亀裂半円形曲げ (SCB) 試験片は、準脆性材料の破壊挙動を測定するために多くの用途で使用されます。本研究の主な目的は、亀裂の長さと SCB 試験片の半径の比 (a/R)、スパンと試験片の直径の比 (S/D)、および試験片サイズが曲げおよびモード I き裂成長挙動に及ぼす影響を研究することでした。。 3 次元有限要素法を使用して輪郭積分法を実行し、モード I 応力拡大係数を決定しました。さらに、数値結果を検証するために、高強度コンクリート試験片を実験的に研究しました。結果は、最大圧縮応力は S/D 値の影響を受けないが、引張応力は非常に敏感であることを示しています。 S/D の値は、亀裂駆動力 (つまり、亀裂口開口変位 (CMOD) と正規化応力拡大係数 YI) を制御する主なパラメーターです。同じ S/D の場合、SCB 試験片直径値の変更は CMOD と YI にわずかな影響を与えます。 S/D = 0.8 の試験片は、SCB 試験片のサイズに関係なく、3 点曲げ試験条件に最も適合する試験片であることを示しました。数値結果と実験結果との間に良好な一致が得られた。

3 点曲げ荷重下での端割れ半円形曲げ (SCB) 試験片は、岩石材料、コンクリート、アスファルト混合物、および生体材料の材料破壊挙動を測定するために使用されます 1、2、3、4、5。 SCB 試験片を使用する主な利点は、あらゆる材料のコアから簡単に採取できることです6。さらに、混合モード I-II 破壊靱性を計算するための単純な形状と試験手順が備わっています 7、8、9。 Arsalan et al.10 は最近、SCB 試験片を改良して、亀裂先端の前方にかなりの破壊プロセス領域を備えた延性接着剤の混合モード破壊挙動を取得しました。混合モード SIF は、亀裂の長さの比 a/R の関数です。図 1 に示すように、その方向は荷重の方向とサポート 11、12 間の距離に関係します。亀裂の長さは、SIF13 の試験片の厚さよりも重要な要素であると思われます。さらに、SIF は、亀裂長さが SCB 試験片半径比 (a/R) 値に対して大きい場合に非常に敏感になります8。

SCB 試験片の形状と荷重条件。

さらに、Lim et al.14 は、3 点曲げ試験の下で SCB 試験片の SIF に対する a/R、スパンと試験片の直径の比 (S/D)、および亀裂の方向の影響を研究しました。彼らは、サポートスパンの長さが減少するか、亀裂の角度と長さが増加するにつれて、モード II SIF がますます支配的になることを確認しました。彼らは、亀裂の長さが短い場合、SIF は SCB 試験片の形状の変化に対してそれほど敏感ではないと結論付けています。 Adamson et al.15 は、SCB の SIF と CMOD を予測するために重み関数法を使用しました。さらに、Aliha et al.16 は、チョップドストランドガラス繊維強化ポリマーコンクリートから製造されたエッジクラックのある SCB 試験片を 3 点曲げ試験で使用し、破壊靱性を評価しました。さらに、引張強度を得るために、亀裂のない SCB 試験片を使用しました。亀裂先端周囲の応力場は通常、SIF、亀裂の成長、および最初の非特異項の係数に基づいています17、18。破壊靱性は、脆性破壊の開始に必要なように、亀裂先端付近の臨界応力状態またはエネルギーから決定できます19,20。したがって、臨界応力と破壊靱性の計算が必要です。

多くの研究者 21、22、23、24、25、26、27、28 は、いくつかの脆性材料の実際の破壊靱性を測定するために、さまざまな試験片を評価しました。さらに、混合モード荷重下での石灰岩岩石の破壊軌跡に対する SCB および円形ディスク試験片の形状とサイズの影響を調査した Aliha ら 24 など、その多くはディスク試験片のサイズが破壊挙動に及ぼす影響を研究しています。。さらに、Abd-Elhady22 は、混合モード I/II SIF に対する SCB 試験片の厚さの影響を研究しました。 3 点曲げ荷重を受けた端部亀裂のある SCB 試験片の曲げ応力とたわみが、試験片内で亀裂が伝播する主な要因であると考えられました。 Stewart ら 6 は、アスファルト骨材混合物について SCB とディスク圧縮張力 (DCT) 破壊試験規格 29,30,31,32 を比較しました。彼らは、SCB 試験では高い変動係数で低い耐破壊性を測定するのに対し、DCT 試験では低い変動係数で耐破壊性を測定することがわかりました。逆に、Yang et al.11 は、3 つの異なるタイプの 3 点曲げタイプの試験片 (つまり、シングルエッジノッチビーム (SENB)、エッジノッチディスクベンド (ENBD)、および SCB 試験片) を比較して、試験片の破壊靱性を測定しました。アスファルト混合物。 SENB 試験片は破壊靱性が最も低く、ENBD 試験片は最も高い破壊靱性を示しました。 Bažant ら 28 は、適切な数学的形式とサイズ効果の法則の正当性についての長期にわたる論争により、これらの材料の設計コードと実践における進歩が遅れていると述べた。標準 SCB 試験片 29、30、31 の寸法は直径 150 mm、試験片の厚さの半径比 (B/R) = 1/3 です。さらに、S/D = 0.8 および a/R = 0.2 です。

0, the peak value of the bending stress is transmitted to the crack tip by a higher tension value. This peak value of the maximum bending stress increases by increasing the crack length, as shown in Fig. 7./p> 0. In the case of S/D = 0.8, the parabolic shape clearly appears, while in the case of S/D = 0.6 and 0.4, a plateau region appears in the middle of the span. This may be considered further evidence of the superiority of S/D = 0.8. In contrast to the conventional 3 PB specimen, the flexural stiffness (EI) in the SCB specimen varies along its span due to the change in its depth. In other words, the shape of the deflection curve along the span of the SCB specimen is mainly affected by the variation of the specimen depth along the beam span (i.e., the variation of the moment of inertia, I)./p> 0. For S/D = 0.8, the deflection of the SCB specimen has a linear relationship with the deflection of the rectangular specimen, with a uniform cross-section, and specimen radius, R, has a marginal effect on this relationship. Furthermore, the deflection of the SCB specimen is higher than that of the rectangular specimen at the same load./p>