BEM and Shear lag method for interface problem of bi-material structure under static loading

• Autorzy: Valeva V. , Ivanova J. , Gambin B.

Warianty tytułu

PL

Metoda Elementów Brzegowych i metoda "shear lag" w zagadnieniu delaminacji dwuwarstwowej struktury pod wpływem statycznego obciążenia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The behaviour of the interface of a pre-cracked bi-material ceramic-metal structure under static axial loading is an object of interest in the present paper. To solve the problem for interface delamination of the structure and to determine the debond length along the interface, a 2D BEM code was created and applied. The interface plate is assumed as a very thin plate comparing with the others two. The parametric (geometric and elastic) analysis of the debond length and interface shear stress is done. First, the obtained numerical results are compared with analytical ones from 1D. Shear lag analysis of the considered structure. The respective comparison is illustrated in figures and shows a good agreement. The comparison between the calculated using 2D BEM code elastic-brittle debond lengths with Song's experimental data for the bi-material structure Zinc/Steel as well as with respective results from FEM simulation shows good coincidence.

PL

W pracy badano zachowanie się na granicy pomiędzy warstwami metalu i ceramiki pod wpływem statycznego obciążenia przyłożonego w kierunku równoległym do połączenia pasm, w przypadku istnienia początkowego nacięcia w jednej z warstw prostopadłego do powierzchni połączenia. W celu rozwiązania zagadnienia delaminacji wzdłuż powierzchni łączącej oba materiały i wyznaczenia długości odspojenia został stworzony i zastosowany kod Metody Elementów Brzegowych – zagadnienie 2-wymiarowe. Warstwa łącząca dwa materiały została potraktowana jako bardzo cienka płyta, w porównaniu do grubości obu warstw materiałowych. Przeprowadzono parametryczną (geometrycznaą i sprężystą) analizę długości odspojenia (delaminacji) i naprężenia stycznego. Otrzymane rezultaty numeryczne porównano z analitycznymi rozwiązaniami 1-wymiarowej analizy tzw. metodą "shear lag". Otrzymane wyniki, zilustrowane na rysunkach, wykazują wzajemną zgodność. Pokazano również, że wyniki uzyskane przy użyciu Metody Elementów Brzegowych są zgodne z wynikami eksperymentu Song'a przeprowadzonego dla dwuwarstwowego elementu kompozytowego pomiędzy warstwą cynku i stali, a także z wynikami uzyskanymi w Metodzie Elementów Skończonych.

Słowa kluczowe

EN

BEM; Shear lag analysis; bi-material structure; debond length

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Mechaniki Teoretycznej i Stosowanej
• Czasopismo: Journal of Theoretical and Applied Mechanics
• Rocznik: 2011
• Tom: Vol. 49 nr 1
• Strony: 17--29
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Valeva V.

autor

Ivanova J.

autor

Gambin B.

• Institute of Mechanics, Sofia, Bulgaria,

Bibliografia

• 1. Banerjee P.K., 1994, The Boundary Element Methods in Engineering, 2nd ed., McGraw-Hill, New York
• 2. Chiang R., 1991, On the stress intensity factors of crack near an interface between two media, Int. J. Fracture, 47, R55-R58
• 3. Cox L.H., 1952, The elasticity and strength of paper and other fibrous materials, Brit. J. Appl. Phys., 72, 3
• 4. Cruse T.A., 1988, Boundary Element Analysis in Computational Fracture Mechanics, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, The Netherlands
• 5. He M.Y., Hutchinson J.W., 1989, Crack deflection at an interface between dissimilar elastic materials, Int. J. Solids Structures, 25, 9, 1053-1067
• 6. Hedgepeth J.M., 1961, Stress Concentrations in Filamentary Structures, NASA TN D-882
• 7. Hutchinson J.W., Suo Z., 1992, Mixed mode cracking in layered materials, Adv. Appl. Mech., 29, 62-191
• 8. Ivanova J., Valeva V., Mroz Z., 2006, Mechanical modelling of the delamination of bi-material plate structure, Journal of Theoretical and Applied Mechanics, Sofia, 36, 4, 39-54
• 9. Lemaitre J., Desmorat R., Vidonne M.P., Zhang P., 1996, Reinitiation of a crack reaching an interface, Int. J. Fracture, 80, 257-276
• 10. Liu Y.J., 1998, Analysis of shell-like structures by the boundary element method based on 3-D elasticity: formulation and verification, Int. J. Numer. Methods Engrg., 41, 541-558
• 11. Luo J.F., Liu Y.J., Berger E.J., 1998, Analysis of two-dimensional thin structures (from micro- to nano-scales) using the boundary element method, Comput. Mechanics, 24, 404-412
• 12. Mukherjee S., 1982, Boundary Element Methods in Creep and Fracture, Applied Science Publisher, New York
• 13. Nikolova G., 2008, Thermo-Mechanical Behaviour of Thin Graded Layered Structures, PhD Thesis
• 14. Nikolova G., Ivanova J., 2009, Cracked biomaterial plates under thermomechanical loading, Proceedings Fractography of Advanced Ceramics III, Trans. Tech. Publications Ltd. In Key Material Series, 409, 406-413
• 15. Nikolova G., Ivanova J., Valeva V., Mroz Z., 2007, Mechanical and thermal loading of two-plate structure, Comptes Rendus De L’Academie Bulgare Des Sciences, 60, 7, pp. 735
• 16. Song G.M., Sloof W.G., Pei Y.T., De Hosson J.Th.M., 2006, Interface behaviour of zinc coating on steel: Experiments and finite element calculations, Surface and Coating Technology, 201, 4311-4316
• 17. Sternitzke M., Knechtel M., Hoffman M., Broszeit E., R¨odel J., 1996, Wear properties of alumina/aluminum composites with interpenetrating networks, J. Am. Ceram. Soc., 79, 1, 121-128
• 18. Zhang S., 2000, Thermal stress intensities at an interface crack between two elastic layers, Int. J. Fract., 106, 277-290