Разрушение хрупких балок при антисимметричном четырехточечном изгибе

Аннотация

Возникновение трещин в элементах конструкций в течение срока службы обусловлено либо деградацией материала, либо наличием скрытых дефектов. Вследствие этого конструкция теряет свою первоначальную несущую способность и выходит из строя при более низких эксплуатационных нагрузках. Как правило, разрушение конструкции вследствие роста трещин происходит при смешанном нагружении. В работе рассматривается эксцентричная балка прямоугольного поперечного сечения с краевой трещиной, которая подвергается антисимметричному четырехточечному нагружению. При изменении положения трещины относительно центра балки удается установить весь диапазон смешанных мод разрушения: I+II, чистые I и II моды. Методом конечных элементов найдены коэффициенты интенсивности напряжений по I и II модам разрушения, а также T-напряжения при различных геометрических параметрах балки и разных условиях нагружения. Варьировались длина трещины, ее положение относительно центра балки и длина короткого пролета. Проанализированы известные способы вычисления T-напряжений. В ближайшем к вершине трещины элементе наблюдаются сильные осцилляции смещений, которые в литературе не упоминаются, поэтому для отыскания T-напряжений с максимально возможной точностью предложено вычислять их по смещениям при отсечении ближайших к вершине трещины 3-4 узлов. Проведены экспериментальные исследования вязкости разрушения эбонита в смешанном режиме. Для каждого типа нагружения и геометрии балки испытаны 3-5 одинаковых образцов. Опыты проводились при статической нагрузке до полного разрушения. Во всех экспериментах фиксировались угол инициации трещины и критическая нагрузка. Для прогнозирования направления разрушения и величины критической нагрузки использовалось шесть критериев разрушения: обобщенный критерий максимальных окружных напряжений, расширенный критерий максимальных окружных деформаций, обобщенный критерий плотности энергии деформирования, обобщенный критерий максимальных окружных осредненных напряжений, критерий максимальной скорости высвобождения упругой энергии и обобщенный критерий максимальной скорости высвобождения упругой энергии. Полученные результаты демонстрируют хорошее совпадение экспериментальных значений критических нагрузок с данными численного расчета. Так, погрешность вычисленного угла инициации трещины не превышает 5%. Учитывая, что экспериментальные результаты согласуются с предсказаниями критериев разрушения балки при антисимметричном четырехточечном изгибе, образец такого вида может применяться при исследовании разрушения смешанного типа в элементах, изготовленных из технических материалов, например, таких, как оргстекло, эбонит, гетинакс.