Mechanism of fatigue crack growth of bridge steel structures

• Autorzy: Zhu H.

Identyfikatory

DOI

10.1515/ace-2015-0103

Warianty tytułu

PL

Mechanizm rozwoju pęknięć zmęczeniowych stalowych konstrukcji mostów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This study was carried out on the background of Sutong Bridge project based on fracture mechanics, aiming at analyzing the growth mechanism of fatigue cracks of a bridge under the load of vehicles. Stress intensity factor (SIF) can be calculated by various methods. Three steel plates with different kinds of cracks were taken as the samples in this study. With the combination of finite element analysis software ABAQUS and the J integral method, SIF values of the samples were calculated. After that, the extended finite element method in the simulation of fatigue crack growth was introduced, and the simulation of crack growth paths under different external loads was analyzed. At last, we took a partial model from the Sutong Bridge and supposed its two dangerous parts already had fine cracks; then simulative vehicle load was added onto the U-rib to predict crack growth paths using the extended finite element method.

PL

Ostatnimi laty, wraz z gwałtownym rozwojem chińskiego przemysłu transportowego, budowa mostów w Chinach weszła w nowy etap rozwoju robiąc duży krok naprzód i coraz więcej mostów rzecznych i morskich wyrasta z ziemi, a mosty te stały się niezastąpioną osią chińskiej sieci transportowej. Konstrukcja stalowa jest głównym komponentem budowy mostu; jednakże, może ulec zniszczeniu poprzez ciągłe obciążanie doprowadzając w ten sposób do pęknięć zmęczeniowych. Wraz ze wzrostem budowy mostów zwiększa się liczba fatalnych wypadków spowodowanych pęknięciami zmęczeniowymi, prowadząc do wysokich praktycznych wymagań dotyczących bezpieczeństwa i niezawodności konstrukcji. Współczynnik intensywności naprężenia (WIN) i kryteria rozwoju pęknięć to dwa kluczowe problemy w mechanice pęknięć. Metody obliczania WIN obejmują metodę analityczną i numeryczną, przy czym numeryczna metoda obejmuje metodę elementów skończonych, metodę objętości skończonej oraz metodę elementów brzegowych itd. Metoda elementów skończonych jest najczęściej stosowana do obliczania WIN, a metody obliczania WIN obejmują metodę zależną od przemieszczeń, wirtualną metodę zamykania szczelin, metodę całki J itd. Teoretyczny proces dedukcji WIN jest skomplikowany. Dla różnych modeli pęknięć zmiany warunków brzegowych spowodują brak przydatności pierwotnej metody obliczeniowej, tak więc należy wydedukować nową metodę obliczeniową. Dlatego symulacja elementów skończonych jest obecnie szeroko stosowana do modelowania obliczeń różnych modeli, ponieważ może znacząco skrócić czas tradycyjnych obliczeń, jak również poprawić ich wydajność. Na podstawie mechaniki pękania przestudiowano WIN oraz ścieżki rozwoju pęknięć biorąc za przykład model mostu „Sutong”, zasymulowano małe pęknięcia na dwóch niebezpiecznych częściach mostu oraz zastosowano obciążenie pojazdem względem ceownika, aby przewidzieć ścieżki rozwoju pęknięć.

Słowa kluczowe

EN

stress intensity factor; extended method; finite element method; simulation; fatigue crack; crack growth; bridge

PL

współczynnik intensywności naprężeń; metoda elementów skończonych; metoda rozszerzona; symulacja; rozwój pęknięć; pęknięcie zmęczeniowe; most

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 62, nr 4/I
• Strony: 153--169
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., il., tab.

Twórcy

autor

Zhu H.

• College of Civil Engineering, Campus on Avenue Hope, Yancheng Institute of Technology, Yancheng, Jiangsu, Chiny

Bibliografia

• 1. L. Reid. “Repairing and preserving bridge and steel structure using an innovative crack arrest repair system”, Advanced Materials Research, 891-892:1217-1222, 2014.
• 2. H. Y. Lee, J. B. Kim, W. G. Kim, et al. “Creep-fatigue crack behaviour of a mod. 9Cr1Mo steel structure with weldments”, Transactions of the Indian Institute of Metals 63(2):245-250, 2010.
• 3. E. Sgambitterra, S. Lesci, C. Maletta. “Effects of higher order terms in fracture mechanics of shape memory alloys bydigital image correlation”, Procedia Engineering, 109:457-464, 2015.
• 4. J. M. L. Reis. “Sisal fiber polymer mortar composites: Introductory fracture mechanics approach”, Construction & Building Materials, 37(37):177-180, 2012.
• 5. R. Wang, A. Nussbaumer. “Modelling fatigue crack propagation of a cracked metallic member reinforced by composite patches”, Engineering Fracture Mechanics 76(9):1277–1287, 2009.
• 6. X. Q. Feng, Y. F. Shi, X. Y. Wang, et al. “Dislocation-based semi-analytical method for calculating stress intensity factors of cracks: Two-dimensional cases”, Engineering Fracture Mechanics, 77(18):3521-3531, 2010.
• 7. Y. D. Li, Y. L. Kang, Z. Nan. “Dynamic stress intensity factor of a crack perpendicular to the weak-discontinuous interface in a nonhomogeneous coating–substrate structure”, Archive of Applied Mechanics, 79(2):175-187, 2009.
• 8. G. Meneghetti, C. Guzzella. “The peak stress method to estimate the mode I notch stress intensity factor in welded joints using three-dimensional finite element models”, Engineering Fracture Mechanics, 115(1):154-171, 2014.
• 9. W. Zhang. “Calculation of dynamic stress intensity factor by the boundary element - laplace transform method”, Advanced Materials Research, 989-994:1825-1828, 2014.
• 10. P. V. Jogdand, K. S. R. K. Murthy. “A finite element based interior collocation method for the computation of stress intensity factors and T-stresses”, Engineering Fracture Mechanics, 77(7):1116-1127, 2010.
• 11. N. H. Dao, H. Sellami. “Stress intensity factors and fatigue growth of a surface crack in a drill pipe during rotary drilling operation”, Engineering Fracture Mechanics, 296:626-640, 2012.
• 12. Y. U. Dazhao. “Stress intensity factor of cracks in bolted joints based on three-dimensional finite element analysis”, Journal of Mechanical Engineering, 47(20):121-126, 2011.
• 13. A. O. Ayhan. “Three-dimensional fracture analysis using tetrahedral enriched elements and fully unstructured mesh”, International Journal of Solids and Structures, 48(3):492-505, 2011.
• 14. Y. Peng, L. Tong, X. L. Zhao., et al. “Modified stress intensity factor equations for semi-elliptical surface cracks in finite thickness and width plates”, Procedia Engineering, 14:2601-2608, 2011.
• 15. N. Sukumar, D. L. Chopp, B. Moran. “Extended finite element method and fast marching method for three-dimensional fatigue crack propagation”, Engineering Fracture Mechanics, 70(1):29-48, 2003.
• 16. A. Đurđević, D. Živojinović, A. Grbović, et al. “Numerical simulation of fatigue crack propagation in friction stir welded joint made of Al 2024T351 alloy”, Engineering Failure Analysis, 58:477-484, 2015.
• 17. Y. Prawoto, I. H. Onn. “Application of J-integral concept on blister coating problem”, Engineering Fracture Mechanics, 92:114–125, 2012.
• 18. J. Liu, M. Coret, A. Combescure, et al. “J-integral based fracture toughness of 15Cr–5Ni stainless steel during phase transformation”, Engineering Fracture Mechanics, 96:328–339, 2012.
• 19. E. Giner, N. Sukumar, J. E. Tarancon, et al. “An Abaqus implementation of the extended finite element method”, Engineering fracture mechanics, 76(3):347-368, 2009.
• 20. L. Chunming, H. Rui, D. Zhaohua, et al. “A level set method for image segmentation in the presence of intensity inhomogeneities with application to MRI”, IEEE Transactions on Image Processing A Publication of the IEEE Signal Processing Society, 20(7):2007-2016, 2011.
• 21. Y. B. Kar, N. A. Talik, Z. Sauli, et al. “Finite element analysis of thermal distributions of solder ball in flip chip ball grid array using ABAQUS”, Microelectronics International, 30(1):14-18, 2013.