Numerické modelování zavírání únavové trhliny

Abstract

Tato disertační práce vznikla pod vedením školitele doc. Ing. Pavla Hutaře, Ph.D., a školitele specialisty doc. Ing. Luboše Náhlíka, Ph.D. Hlavním tématem práce je efekt plasticky indukovaného zavírání únavové trhliny, jeho charakteristika a způsoby numerického modelování. Předčasné zavírání únavové trhliny má významný vliv na rychlost šíření trhliny a tím i na zbytkovou životnost konstrukce. Trojdimenzionální numerický model poskytuje jednak detailní pohled na rozložení pole napětí a deformace podél čela trhliny, jednak – a to zejména – umožňuje lokální popis parametrů podél čela trhliny, které řídí hnací sílu trhliny. První část práce je věnována studii vlivu singulárního pole napětí u volného povrchu na tvar únavové trhliny bez vlivu předčasného zavírání. V druhé části je vytvořen a pomocí experimentů verifikován rovinný numerický model plasticky indukovaného zavírání. Ve finální části disertační práce je vytvořen trojdimenzionální numerický model, který popisuje vliv zavírání trhliny na rychlost jejího šíření po celé délce jejího čela a vysvětluje tak její typické zakřivení. V práci navržené postupy umožňují kvalitativní zpřesnění numerických simulací šíření únavových trhlin a s tím související věrohodnější odhad zbytkové životnosti součástí s trhlinou nebo defektem.

This Ph.D. thesis was written under the supervision of Assoc. prof. Pavel Hutař, Ph.D., and Assoc. prof. Luboš Náhlík, Ph.D. The thesis is focused on the effect of plasticity induced crack closure, its characteristic and ways of numerical modelling. Premature fatigue crack closure has a significant effect on the fatigue crack propagation rate and therefore on the residual lifetime of a structure. A three-dimensional numerical model allows a detailed look at the stress and strain distribution along the crack front, and particularly it allows a local description of parameters along the crack front which governs the fatigue crack propagation rate. In the first part of the thesis, the study is focused on the influence of a singular stress field at the vicinity of the free surface on the crack front curvature without crack closure being involved. In the second part, a numerical model in 2D of plasticity induced crack closure was created and verified by experimental results. In the final part, a 3D numerical model is used to describe the influence of the crack closure on its fatigue propagation rate and explains typical crack front curvature. The suggested technique allows quantitative accuracy improvement of numerical simulation of the fatigue crack propagation and therefore, more reliable estimation of the residual lifetime of the cracked structure.