Fatigue growth analysis of multiple coplanar crack using real and substitute crack contour

• Autorzy: Grabowski P. , Jankowiak A.

Warianty tytułu

PL

Ocena zmęczeniowego wzrostu współpłaszczyznowych pęknięć wielokrotnych z zastosowaniem rzeczywistych i zastępczych kształtów wad

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Structural components of construction machinery often contain cracks or crack-like defects initiated at notches under service cycling loading. The notches most exposed to the fatigue degradation process are often welded joints. It is caused by the fact that those joints usually contain initial imperfections (e.g. internal flaws and defects), which may start to grow during the machine’s operation. In many types of machines, those cracks can decide on the process of material destruction and overall operating time. In order to determine the time spent on the stable fatigue growth of such cracks, the crack growth analysis needs to be carried out. The results of such analyses may be very helpful in estimating overall fatigue durability of welded structures. Because of imperfections occurring during a manufacturing process, welded joints are often the locations where multiple cracks may be observed, which means more than one crack growing in one plane. In most cases, for fatigue growth analyses of such cracks, commonly used are the procedures that suggest to replace real crack contours with one substitute contour. Those substitute contours are usually regular shapes (circular, elliptical) that cover the whole considered group of cracks or the major part of their real total area. Furthermore, using such type of a substitute contour allows you to analyze a single crack growth with available methods (e.g. well-known analytical solutions). However, this approach can result in conservative fatigue life assessments. In some cases the level of above mentioned conservatism is very hard to determine, which may result in overdesigning of particular components of the structure (either its dimensions or total weight of the structure), which often is unacceptable from economical point of view. The paper presents selected cases of fatigue growth analyses of multiple cracks, with the usage of method that requires substituting group of cracks with idealized single contour. Some variations of substitute contours are considered. The results are compared to the ones obtained during analyzes of real crack contours. During the assessments of substitute cracks also an attempt to estimate the level of conservatism was taken. The analyses were done for cracks undergoing tensile loading (Mode I) with uniform stress distribution.

PL

Elementy konstrukcji nośnych maszyn roboczych często zawierają pęknięcia lub szczelinopodobne wady inicjujące się w węzłach konstrukcyjnych (karbach) pod działaniem obciążeń eksploatacyjnych. Najbardziej narażone na degradację zmęczeniową węzły konstrukcji nośnych to z reguły połączenia spawane. Jest to spowodowane faktem, że zawierają one po-technologiczne niedoskonałości (wady, niezgodności spawalnicze), które mogą się powiększać w trakcie eksploatacji maszyny. W wielu przypadkach może to decydować o zniszczeniu materiału i całkowitej trwałości elementu. Aby wyznaczyć czas stabilnego wzrostu takich wad, musi być przeprowadzona analiza wzrostu pęknięcia. Wyniki takiej analizy są istotne dla oszacowania całkowitej trwałości zmęczeniowej spawanych konstrukcji nośnych. Niedoskonałości procesów wytwarzania sprzyjają występowaniu wielokrotnych, (czyli więcej niż jednej w tej samej płaszczyźnie) wad czy pęknięć w połączeniach spawanych. Zazwyczaj w takich sytuacjach, przy analizie wzrostu pęknięć zmęczeniowych, stosuje się procedury zastępowania grupy rzeczywistych pęknięć pojedynczą szczeliną zastępczą. Te zastępcze kontury szczelin mają zazwyczaj regularny kształt (kołowy, eliptyczny), który obejmuje całą grupę pęknięć lub zasadniczą część ich sumarycznego pola powierzchni. Zastosowanie szczeliny zastępczej o wyidealizowanym kształcie pozwala na analizę wzrostu pęknięcia z wykorzystaniem dostępnych metod (np. znanych rozwiązań analitycznych). Podejście takie może jednakże prowadzić do istotnego niedoszacowania trwałości zmęczeniowej. W wielu przypadkach poziom tego konserwatyzmu jest niezwykle trudny do określenia, co może skutkować np. przewymiarowaniem elementów konstrukcji nośnej (zarówno w ujęciu wymiarowym, jak i masowym), co najczęściej jest nie do przyjęcia z ekonomicznego punktu widzenia. W pracy przedstawiono wybrane przypadki analiz wzrostu wielokrotnych pęknięć zmęczeniowych, wykonanych metodą zastąpienia pary współpłaszczyznowych pęknięć wyidealizowaną szczeliną zastępczą. Rozpatrzono kilka szczelin zastępczych o różnych kształtach. Wyniki porównano do wyników analizy wzrostu dwóch rzeczywistych pęknięć. W ramach analiz wzrostu dla szczelin o kształtach zastępczych podjęto próbę oszacowania skali konserwatyzmu takiego oszacowania. Analizy przeprowadzono dla pęknięć poddanych działaniu rozciągania przy równomiernym rozkładzie naprężeń (Mode I).

Słowa kluczowe

EN

fatigue fracture; crack growth analysis; multiple cracks

PL

pękanie zmęczeniowe; analiza wzrostu pęknięć; pęknięcie wielokrotne

• Wydawca: Instytut Pojazdów Politechniki Warszawskiej
• Czasopismo: Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów / Politechnika Warszawska
• Rocznik: 2017
• Tom: z. 4/113
• Strony: 51--62
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Grabowski P.

• Institute of Construction Machinery Engineering, Warsaw University of Technology

autor

Jankowiak A.

• Institute of Construction Machinery Engineering, Warsaw University of Technology

Bibliografia

• [1] Bayley, C.J., Bell, R., Experimental and Numerical Investigation of Coplanar Fatigue Crack Coalescence, International Journal of Vessels and Piping, Vol. 74, 1997, pp. 33-37.
• [2] Cisilino, A.P., Aliabadi, M.H., Three-dimensional BEM Analysis for Fatigue Crack Growth in Welded Components, International Journal of Vessels and Piping, Vol. 70, 1997, pp. 135-144.
• [3] Cisilino, A.P., Aliabadi, M.H., Dual Boundary Element Assessment of Three-dimensional Fatigue Crack Growth, Engineering Analysis with Boundary Elements, Vol. 28, 2004, pp. 1157-1173.
• [4] Chop, D.L., Sukumar, N., Fatigue Crack Propagation of Multiple Coplanar Cracks with the Coupled Extended Finite Element/Fast Marching Method, International Journal of Engineering Science, Vol. 41, 2003, pp. 845-869.
• [5] Glinka, G., Reinhardt, W., Calculation of Stress Intensity Factors for Cracks of Complex Geometry and Subjected to Arbitrary Nonlinear Stress Fields, Fatigue and Fracture Mechanics, Vol. 31, ASTM STP 1389, West Conshohocken, PA, 2000, pp. 348-370.
• [6] Grabowski, P., Jankowiak, A., Preliminary Evaluation of Possibility of Coplanar Multiple Cracks Growth Modeling with Usage of Two-Dimensional Weight Function, Proceedings of the Institute of Vehicles, Vol. 108, No 4, 2016, pp. 129-146.
• [7] Jakubczak, H., Jankowiak, A., Mode I Stress Intensity Factors for Cracks in Arbitrary Stress Fields, Machine Dynamics Problems, Vol. 27, No 4, Warsaw, 2003.
• [8] Jankowiak, A., Analysis of Crack Growth Using the Two Dimensional Weight Function, PhD thesis, Warsaw, 2007 (in Polish).
• [9] Jankowiak, A., Jakubczak, H., Comparison of Fatigue Crack Growth of Cracks with Actual and Equivalent Shapes. Przegląd Mechaniczny, No.4, 2008 (in Polish).
• [10] Jones, R., Peng, D., Pitt, S., Assessment of Multiple Flat Elliptical Cracks with Interactions, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, Vol. 38, 2002, pp. 281-291.
• [11] Murakami, Y., Metal Fatigue: Effects of Small Defects and Nonmetallic Inclusions, Elsevier, 2002.
• [12] Murakami, Y., Stress Intensity Factors Handbook, Vol.2, Pergamon Press, Tokyo, 1987.
• [13] Neimitz, A., Ocena wytrzymałości elementów konstrukcyjnych zawierających pęknięcia (podstawowe elementy procedury SINTAP), Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce, 2004.
• [14] Pang, J., Hoh, H., Tsang, K., Low, J., Kong, S., Yuan, W., Fatigue Crack Propagation Analysis for Multiple Weld Toe Cracks in Cut-out Fatigue Test Specimens from a Girth Welded Pipe, International Journal of Fatigue, Vol. 94, 2017, pp. 158-165.
• [15] Tan, J.T., Chen, B.K., A New Fracture Area Method for Predicting the Growth of a Newly Coalesced Crack in AA7050-T7451 Alluminium Alloy, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, Vol. 75, 2015, pp. 146-150.
• [16] Wu, Z., Jakubczak, H., Glinka, G., Molski, K., Nilsson L., Determination of Stress Intensity Factors for Cracks in Complex Stress Fields, The Archive of Mechanical Engineering, Vol. L, Nr.1, 2003, pp. 41-67.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).