An analysis of the load-carrying capacity of elements subjected to complex stress states with a focus on the microstructural failure

• Autorzy: Kossakowski P. G.

Warianty tytułu

PL

Analiza nośności elementów pracujących w złożonych stanach naprężenia z uwzględnieniem wpływu uszkodzeń miktrostrukturalnych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper analyses the load-bearing capacity of S235JR steel elements subjected to complex stress states, taking into account the effect of microstructural damage. Assessing the material required conducting a microstructural analysis and standardized tensile strength tests. A modified Gurson-Tvergaard- Needelman (GTN) model was used to numerically analyse S235JR steel elements under the action of complex stresses. The results of the numerical analysis were reported to be consistent with those obtained during the strength tests. The method for the numerical calculations was described along with the admissible results and the criteria of failure for S235JR steel basing on the modified GTN model and the development of microdamage. As S235JR steel is a common structural material in Poland, the investigation results will be of use to a number of engineers and other specialists responsible for determining the load-carrying capacity and structural safety of elements or whole systems.

PL

W artykule przedstawiono wyniki analizy nośności elementów wykonanych ze stali S235JR pracujących w złożonych stanach naprężenia z uwzględnieniem wpływu uszkodzeń mikrostrukturalnych. Opracowano zmodyfikowany model Gursona-Tvergaarda-Needelmana (GTN) dla stali S235JR poprzez wykonanie badań mikrostrukturalnych, przeprowadzenie normowych prób rozciągania oraz ich modelowane numeryczne. Zmodyfikowany model GTN zastosowano w analizie numerycznej elementów pracujących w złożonych stanach naprężeń. Stwierdzono zgodność uzyskanych wyników w stosunku do rezultatów badań wytrzymałościowych. Opisano sposób prowadzenia obliczeń numerycznych wraz z analizą możliwych do uzyskania wyników oraz określono kryteria zniszczenia stali S235JR w oparciu o zmodyfikowany model GTN i rozwój mikrouszkodzeń.

Słowa kluczowe

EN

Gurson-Tvergaard-Needleman model; voids; numerical calculations; S235JR steel

PL

model Gurson-Tvergaard-Needelman; obliczenia numeryczne; stal S235JR

• Wydawca: Springer ; Wrocław University of Science and Technology
• Czasopismo: Archives of Civil and Mechanical Engineering
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 10, no 2
• Strony: 15--39
• Opis fizyczny: Bibliogr. 44 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Kossakowski P. G.

• Kielce University of Technology, Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7, 25-314 Kielce, Poland

Bibliografia

• [1] Kachanov L.: Time of the rupture process under creep conditions, Izv. Akad Nauk SSSR, Otd. Tekh. Nauk, No. 8, 1958, pp. 26–31.
• [2] Lemaitre J.: How to use damage mechanics, Nuclear Eng. and Design, Vol. 80, No. 2, 1984, pp. 233–245.
• [3] Lemaitre J.: A continuum damage mechanics model for ductile fracture, J. Eng. Mat. And Technology, Vol. 107, No. 1, 1985, pp. 83–89.
• [4] Murakami S., Proc. 2nd Int. Conference on Constitutive Laws for Engineering Materials, ed. Desai, C.S. and Krempl E., Elsevier, 1987.
• [5] Gurson A.L.: Continuum theory of ductile rupture by void nucleation and growth: Part I – yield criteria and flow rules for porous ductile materials, J. Eng. Mat. and Tech., Vol. 99, No. 1, 1977, pp. 2–15.
• [6] Suquet P.: Plasticité et homomogénéisation, Thése Doctorat d’Etat, Univ. Paris VI, 1982.
• [7] Cordebois J.P., Sidoroff F.: Endommanegament anisotrope en elasticité et plasticité, J. Méc. Théor. Appl., Numero Spécial, 1982, pp. 45–60.
• [8] Tvergaard V.: Material failure by void coalescence in localized shear bands, DCAMM Report No. 221, Techn. Univ. of Denmark, Lyngby, 1981, pp. 1–26.
• [9] Tvergaard V.: Numerical study of localization in a void sheet, DCAMM Report No. 337, Techn. Univ. of Denmark, Lyngby, 1988, pp. 1–19.
• [10] Rousselier G.: Finite deformation constitutive relations including ductile fracture damage, IUTAM Symp. on Three-dimensional constitutive relations and ductile fracture, Eds. Dourdan, Nemat-Nasser, North-Holland, 1981, pp. 331–355.
• [11] Rousselier G.: Les modéles de rupture ductile et leurs possibilités actuelles dans le cadre de l’approche locale de la rupture, Moret-sur-Loing, 1986, France.
• [12] Dragon A., Chihab A.: Quantifying of ductile fracture damage evolution by homogenization approach, SMiRT 8, Brussels, 1985.
• [13] Chow C.L., Lu T.J.: An analytical and experimental study of mixed-mode ductile fracture under nonproportional loading, Int. J. Damage Mech., Vol. 1, No. 2, 1992, pp. 191–236.
• [14] Voyiadjis G.Z., Kattan P.I.: A plasticity-damage theory for large deformation of solids, Part I: theoretical formulation, Int. J. Eng. Sci., Vol. 30, No. 9, 1992, pp. 1089–1108.
• [15] Murzewski J.: Brittle and ductile damage of stochastically homogeneous solids, Int. J. Damage Mech., Vol. 1, No. 3, 1992, pp. 276–289.
• [16] Mou Y.H., Han R.P.S.: Damage evolution in ductile materials, Int. J. Damage Mech, Vol. 5, No. 3, 1996, pp. 241–258.
• [17] Saanouni K., Foster C., Ben Hatira F: On the anelastic flow with damage, Int. J. Damage Mech., Vol. 3, No. 2, 1994, pp. 140–169.
• [18] Taher S.F., Baluch M.H., Al-Gadhib A.H.: Towards a canonical elastoplastic damage model, Eng. Fracture Mech., Vol. 48, No. 2, 1994, pp. 151–166.
• [19] Tvergaard V.: Influence of voids on shear band instabilities under plane strain condition, Int. J. Fracture Mech., Vol. 17, No. 4, 1981, pp. 389–407.
• [20] Tvergaard V., Needleman A.: Analysis of the cup cone fracture in a round tensile bar, Acta Metall., Vol. 32, No. 1, 1984, pp. 157–169.
• [21] Needleman A., Tvergaard V.: Analysis of the ductile rupture in notched bars, J. Mech. and Physics Solids, Vol. 32, No. 6, 1984, pp. 461–490.
• [22] Terlinck D., Zok F., Embury J.D., Ashby M.F.: Fracture mechanism maps in stress space, Acta Metall., Vol. 36, No. 5, 1998, pp. 1213–1228.
• [23] Aoki S., Amaya K., Sahashi M., Nakamura T.: Identification of Gurson’s material constans by using Kalman filter, Comp. Mech., Vol. 19, No. 6, 1997, pp. 501–506.
• [24] Corigliano A., Mariani S., Orsatti B.: Identification of Gurson-Tvergaard material model parameters via Kalman filtering technique. I. Theory, Int. J. Fracture, Vol. 104, No. 4, 2000, pp. 349–373.
• [25] Nowak Z., Stachurski A.: Identification of an augmented Gurson model parameters for plastic porous media, Foundation of Civil and Environmental Engineering, No. 2, 2002, pp. 141–150.
• [26] Nowak Z.: Metoda identyfikacji w mechanice materiałów ciągliwych, IPPT PAN, Warszawa, 2006.
• [27] Springmann M., Kuna M.: Identification of material parameters of the Gurson-Tvergaard-Needleman model by combined experimental and numerical techniques, Comp. Mat. Sc., Vol. 32, No. 3–4, 2005, pp. 544–552.
• [28] Chhibber R., Arora N., Gupta S.R., Dutta B.K.: Estimation of Gurson material parameters in bimetallic weldments for the nuclear reactor heat transport piping system, Jour. Mech. Eng. Sc., Vol. 222, No. 12, 2008, pp. 2331–2349.
• [29] Hayhurst D., Trąmpczyński W., Leckie F.: On the role of cavity nucleation in creep deformation and fracture, Acta Metall., Vol. 31, No. 10, 1983, pp. 1537–1542.
• [30] Biel-Gołaska M., Gołaski L.: Modelowanie procesu pękania odlewów kolikowych i cienkościennych ze stopu Al-Si poddanych obciążeniom dynamicznym, Projekt badawczy Nr PB 1037/T08/95/09, Instytut Odlewnictwa, Kraków, 1998.
• [31] Lachowski J., Biel-Gołaska M.: Symulacja odkształcania plastycznego i ewolucji uszkodzeń w przestrzennych stanach obciążenia, VII Krajowa konferencje Mechaniki Pękania, Kielce-Cedzyna, 23–25 IX 1999, Zeszyty Naukowe Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce, 1999, pp. 261–268.
• [32] Biel-Gołaska M., Gołaski L., Lachowski J., Żuczek R.: Analiza rozwoju uszkodzeń w stopach odlewniczych, Raport KBN, Nr 8008/00, Instytut Odlewnictwa, Kraków, 2000.
• [33] Hang Z.L., Thaulow C., Ødegård J.: A complete Gurson model approach for ductile fracture, Eng. Fract. Mech., Vol. 67, No. 2, 2000, pp. 155–168.
• [34] Reusch F., Svendsen B., Klingbeil: Local and non-local Gurson-based ductile damage and failure modelling a large deformation, European J. of Mech. A/Solids, Vol. 22, No. 6, 2003, pp. 779–792.
• [35] Hashemi S.H., Howard I.C., Yates J.R., Andrews R.M.: Micro-mechanical damage modelling of notched bar testing of modern line pipe steel, The 15th European Conference of Fracture – Advanced fracture mechanics for life and safety, Stockholm, August 11–13, 2004, p. 8.
• [36] Münlich U., Brocks W.: Regularization behaviour of nonlocal Gurson-type model, The 15th European Conference of Fracture – Advanced fracture mechanics for life and safety, Stockholm, August 11–13, 2004, p. 8.
• [37] Samal M.K., Seidenfuss M., Roos E., Dutta B.K., Kushwaha H.S.: A mesh-independent Gurson–Tvergaard–Needleman damage model and its application in simulating ductile fracture behaviour, J. Mech. Eng. Sc., Vol. 223, No. 2, 2008, pp. 283–292.
• [38] Cricrì G.: Consistent use of the Gurson-Tvergaard damage model for the R-curve calculation, Convegno Nazionale IGF XX, Torino, 2009, pp. 138–150.
• [39] J. Pastor, Ph. Thoré.: Gurson model for porous pressure sensitive materials, D. Weichert, A. Ponter (eds.), Limit States of Materials and Structures, Springer Science+Business Media B.V., 2009.
• [40] Określenie struktury materiałów (pobranych z konstrukcji) analiza porównawcza z parametrami stali wzorcowej, Raport z badań w ramach projektu Opracowanie oraz wstępna weryfikacja procedury diagnozowania metodą emisji akustycznej konstrukcji metalowych ze szczególnym uwzględnieniem mostów stalowych, Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, Warszawa, 2008.
• [41] PN-EN 1002-1, Metale. Próba rozciągania. Część 1: Metoda badania w temperaturze otoczenia.
• [42] Richelsen A.B, Tvergaard V.: Dilatant plasticity or upper bound estimates for porous ductile solids, Acta Metall. Mater., Vol. 42, No. 8, 1994, pp. 2561–3577.
• [43] ABAQUS Analysis user’s manual, Version 6.7, ABAQUS, Inc. and Dassault Systèmes, 2007.
• [44] Bridgman P.W.: Studies in large flow and fracture, McGraw-Hill, New York, 1952.