شبيه‌سازي عددي شكست در مواد ترد با استفاده از روش اجزاء محدود توسعه‌ يافته

Numerical Simulation of Fracture in Brittle Materialsusing the Extended Finite Elements Method

امروزه مواد ترد و شبه­ ترد به دليل شكل‌پذيري بسيار كم و هم‌چنين استحكام و سفتي بالا در مقايسه با وزنشان، به­‌صورت گسترده در سازه‌هاي مختلف مانند سازه‌هاي هوا فضايي استفاده مي‌شوند. با افزايش كاربرد اين مواد در صنعت، نياز بيشتري براي تحليل سازه‌هاي ترد احساس مي‌گردد. در اين مقاله ابتدا به‌منظور بررسي مكانيزم جوانه‌زني و رشد ترك در مواد ترد، روش اجزاء محدود توسعه‌يافته به­كار برده مي­ شود. سپس، مدل‌هاي آسيب بر مبناي مدل‌هاي ناحيه چسبنده براي پيش ­بيني ايجاد و رشد ترك در نظر گرفته مي­شوند. در ادامه، با استفاده از نرم‌افزار اجزاء محدود تجاري آباكوس، تعدادي از مسائل آزمون شبيه‌سازي گرديده، مناطق آسيب‌ديده و بحراني در آن‌ها پيش‌بيني مي­شود. در آخر، نتايج حاصل از شبيه‌سازي‌هاي عددي با نتايج تجربي و تئوري مقايسه و اعتبارسنجي ‌مي­گردد. مقايسه نتايج عددي و تجربي آشكار مي­ كند كه معيارهاي آسيب بر پايه تنش از دقت بهتري نسبت به معيارهاي آسيب بر پايه كرنش برخوردار مي باشند. بنابراين نتيجه‌گيري مي‌شود كه در مقايسه با معيارهاي آسيب بر پايه كرنش، استفاده از معيارهاي آسيب بر پايه تنش در پيش‌بيني شكست مواد ترد مطمئن تر است.

Today, brittle and quasi brittle materials are widely used in the various structures such as aerospace structures, because of very low deformability as well as high strength and stiffness compared with their weight. There is a greater need for analysis of the brittle structures, with increasing application of these materials in the industries. In this paper first, the extended finite element method (XFEM)is applied to investigate the nucleation and crack growth mechanism of the brittle materials. Then, damage models based on cohesive zone models(CZM)are considered to predict initiation and crack growth. In the following, a number of benchmark problems are simulated; damaged and critical zones in them are predicted, using the ABAQUS commercial finite elements software. Finally, the numerical simulations results are compared with the experimental and theoretical results and validated. Comparison of the numerical and experimental results revealethat the stress-based damage criteria are more accurate than the strain-based damage criteria. Hence, it is concluded that in comparison with the stress-based damage criteria, using the stress-based damage criteria is more reliable in fracture prediction of brittle materials.