Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng: Nghiên cứu quá trình phát triển vết nứt của tấm thép chịu ảnh hưởng mode kết hợp theo chuẩn ứng suất vòng lớn nhất

Khe nứt của vết nứt | mẫu 3.6 sau khi kết thúc thí nghiệmKhe nứt của vết nứt 2 mẫu 3.6 sau khi kết thúc thí nghiệmQuá trình phát triển vết nứt 1 mẫu 3.6 theo chu kỳ tải lặpQuá trình phát

ĐẠI HỌC QUOC GIA TP HO CHI MINH

TRUONG DAI HOC BACH KHOA

NGUYEN HOANG NGUYEN

CHUYEN NGANH: XAY DUNG DAN DUNG VA CONG NGHIEP

MA SO CHUYEN NGANH: 60.58.02.08

LUAN VAN THAC SI

GIANG VIEN HUONG DAN 1: TS DINH THE HUNGGIANG VIEN HUONG DAN 2: TS NGUYEN MINH LONG

PH CH MINH- HANG 9 NAM 2015

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG Hồ Chí MinhCán bộ hướng dẫn khoa hoc Ï: - - 6 2 2 %EEE% E5 5 58% E3 E3 3 5E 3 3 315111111515 1 xe,

Luận văn được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp Hồ Chí Minh

Ngày 31 tháng 8 năm 2015

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:1 Chủ tịch: PGS.TS Nguyễn Văn Hiệp.2 Thư ký: TS Hồ Hữu Chỉnh

3 Thành viên Phản biện 1: TS Hoàng Bắc An

4 Thành viên Phản biện 2: TS Lê Văn Phước Nhân.5 Thành viên: TS Huynh Minh Phước.

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng khoa quản lý chuyên

ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có)

CHỦ TỊCH HOI DONG TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAMTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIEM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Hoàng Nguyên - MSHV: 13210147

Ngày, thang, năm sinh: 24/8/1989 -SSSsssssss Nơi sinh: TP Đà Lạt

Chuyên ngành: Xây dựng Dan dung và Công nghiệp Mã số: 60.58.02.08 I TEN DE TÀI: Nghiên cứu quá trình phát triển vết nứt của tam thép chịu ảnh hưởngmode kết hợp theo chuẩn ứng suất vòng lớn nhất

Il NHIEM VỤ VÀ NỘI DUNG:

e Mô phỏng số quá trình phát triển vết nứt của tắm thép dưới tác dụng modekết hop (mode I - mode II) theo chuẩn cực đại ứng suất pháp vòng (MCSC)

e Thiết lập được quy trình áp dụng chuẩn MCSC với kỹ thuật chia lại lưới vàphân tử đơn giản vào mô hình phần tử hữu hạn để dự đoán sự hình thành vết nứt.HI NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 19/01/2015

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU: 14/6/2015v CAN BO HUONG DAN 1: TS Dinh Thế Hưng

CAN BO HUONG DAN 2: TS Nguyén Minh Long

Tp HCM, ngày 11 tháng 9 năm 2015CAN BO HƯỚNG DAN 1 CHU NHIEM BO MON

CAN BO HUONG DAN 2

TRUONG KHOA KY THUAT XAY DUNG

LOI CAM ON

Đầu tiên, em xin gửi lời cảm on chân thành đến thay hướng dẫn khoa học là TS.Dinh Thế Hung và thay hướng dẫn thực nghiệm là TS Nguyễn Minh Long Hai thay đãtận tình hướng dẫn, truyền dạy và động viên em trong suốt quá trình nghiên cứu, thựchiện đề tài tại trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM Sự chỉ dẫn của các thaykhông chi là những kiến thức khoa học quý báu mà còn là những kinh nghiệm về tư duy,lý luận khoa học quan trọng để xây dựng nên tang vững chắc cho sự nghiệp chuyên môncủa em trong tương lai Những phương pháp giải quyết các van đề khoa học của hai thaycũng ươm mam cho em những vốn tư liệu sống quý giá trước khi bước chân rời khỏi ghế

nhà trường Một lân nữa, em xin chân thành cảm ơn hai thay hướng dân kính mén.

Tiếp theo, con xin gửi lời biết ơn tới toàn thể các thành viên trong hai gia đìnhthân yêu Con cảm ơn bố mẹ, ba mẹ, những người đã luôn ủng hộ con hết lòng cho thànhcông đạt được trên con đường sự nghiệp hôm nay Cảm ơn vợ, người đã âm thầm chốngchịu rất nhiều khó khăn để xây dựng hậu phương vững chắc cho chồng toàn tâm toàn ý

vào công việc học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Bách Khoa Cảm ơn em gái đã thay

anh chăm sóc bố mẹ trong suốt khoảng thời gian anh học xa nhà đăng dang 8 năm qua.Chân thành cảm ơn tất cả mọi người bởi gia đình đã là động lực cho con có thể chân cứngđá mềm vượt qua tất cả Con xin hứa sẽ giữ vững tinh thần và quyết tâm ngày hôm nay

đề bước vào giai đoạn kê tiệp trong cuộc đời con.

Kế đến, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô đã nhiệt huyếttruyền dạy cho em những kiến thức chuyên môn kỹ thuật xây dựng vô cùng quý báu ở cảcấp Đại học lẫn Cao học suốt khoảng thời gian học tập tại trường Đại học Bách Khoa

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn các bạn đồng học đã hỗ trợ một cách vô tư nhất có thểđể cùng nhau chúng tôi bước đi được tới ngày hôm nay Cam ơn Biên Cương, Như Thế,Minh Nhựt, những người bạn thân, những người đồng đội tuyệt vời nhất Chúng ta đã làmột nhóm rất cừ trong giảng đường hôm qua, bước ra cuộc sống mai sau hy vọng chúng

ta sẽ tiệp tục có cơ hội sát cánh cùng nhau lâu thật lâu nữa.

Xin chân thành cam ơn !

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công việc do chính tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn củathay Đinh Thế Hưng và thầy Nguyễn Minh Long Các kết quả trong luận văn là đúng sự

thật và chưa được công bô ở các nghiên cứu khác.

Tôi xin chịu trách nhiệm về công việc đã thực hiện của mình.

PHAN LÝ LICH TRÍCH NGANG

o Họ và tên: Nguyễn Hoàng Nguyêno Ngày, tháng, năm sinh: 24/8/1989 Nơi sinh: TP Da Lat

o Địa chỉ liên lạc: 37 Võ Trường Toản - Phường 8 - TP Da Lạt - Tinh Lam Dongo Số điện thoại liên hệ: 0168 2409891

QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO

o Tốt nghiệp đại học ở Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP.Hồ Chí Minh

o Học Cao học Thạc sĩ Chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Dân dụng vàCông nghiệp - Khoá học: 2013

o Bảo vệ Luận văn Thạc sĩ tại Hội đồng 2 - Ngành Cao học Xây dựng Công trìnhDân dụng và Công nghiệp - Thời gian: Thứ Hai, ngày 31/8/2015 - Điểm bảo vệ: 7.8

Tp Hô Chí Minh, ngày 11 tháng 9 năm 2015

Học viên thực hiện

Nguyễn Hoàng Nguyên

LỜI CAM ƠN -. cc CC QC CC n0 0 9000 0000000000 0000600000006 0600000006006 0000060060000 0000000000009 0505 6585 558585 556352 3LOT CAM GOAN 0a 4Ghi chú ký hiỆU (c0 09900010 5

Tóm tắt luận văn G1 539121 1E 519191 111 11101511810 0111019111 111011 Hung ng 6@mio108817-1.0 0077777 HH 7

[.I Tình hình nghiÊn CỨU: - - G9001 re 71.2 Muc dich 80i;0i0:i 1117577 d A in an 91.3 Phương pháp nghiÊn CỨU: (<< G5 C11093 101 199 90001 re 91.4 Pham vi nghién CUU! 0 = 9

1.5 Chuan ứng suất pháp vòng lớn nhat c.c.cccccceseseesesessescscscsessesesesssesseseseseseenees 10Chương 2 Mô hình lý thuyét + - 5 S222 2E E9 5E 1231151 5111171115211 7115111 Tx xe, 11

2.1 NGUYEN Ìý ng nọ vn 11

2.2 Phuong pháp chia lưới và mô hình phan tử ở đầu chóp vết nứt - 142.3 Điều kiện ràng buộc áp dụng - Ăn kg 172.1 Chi tiết phan tử trong mô hình phan tử hữu hạn - - 2 2 5s+s+cz£z£s+£zS+2 182.5 Kiểm nghiệm lý thuyết bằng kết qua công trình nghiên cứu tương tự đã có kết quả

004i 3401900 18

2.5.1 Mô hình thí nghiệm với tam chữ nhật có vết nứt nghiêng ở giữa 19

2.5.2 Mô hình thí nghiệm trên mẫu Compact Tension (CT): « <<<s 22Chương 3 Mô hình thí nghiỆm - - ( - - -G G0001 199 930101 re 253.1 Mẫu thí nghiệm - - E SE S111 1 515 511111151515 11 11111515 11111151101 1xx rưệu 25

3.2 Các chỉ tiết ngàm kẹp mẫu thí nghiệm: - - + 2 +£+S +E+£z£E+E£E+EzEz£ErEreresvee 28

3.3 Quy trình thí nghñiỆm: SG c1 9999000101 re 283.4 Hoàn thành thí nghigm: - - (<< 1 133939110111 1999 901g re 3l

Chương 4 Kết quả thí nghiệm - - 2 2E E£E+EEEEEEE£E#E£EEEE£E£EEEEEEEEEEEEEEEErkrkrree 364.1 Thí nghiệm 1 (Bài toán 3) - mẫu sỐ (I: -¿ - - + 2 2 +2+E+E+E£EE£E£E+EzEEErkrereeree 364.1.1 Số liệu đầu VàO:: Gv 1919191 1 5 11819191 9 111011111 H111 ng ng: 36

4.2 Thí nghiệm 1 (Bài toán 3) - mẫu $6 022 - - + 2 2 +2+E+E2EEE£E£E+EzEEErErereeree 384.2.1 Số liệu đầu VàO:: -G- G11 1919191 1 51911151511 1111111111 H111 ng ng: 384.2.2 Kết quả thí nghiệm: ¿E52 SE S623 E9 E1 121215211521 11115 1111 x 394.3 Thí nghiệm 1 (Bài toán 3) - mẫu $6 03: - + 2 2 +E+E+E2EEE£E£E+EzEEErErerreree 404.3.1 Số liệu đầu VàO:: -G- G 11t 1919191 1 5 110151511 1111011111 H111 ng ng: 404.3.2 Kết quả thí nghiệm: -¿- - - + 2 S2 SE 1 E9 E1 1212152115 2111115 111111 xe Al4.4 Thí nghiệm 1 (Bài toán 3) - mẫu $6 042 ole ccccesccsesescsesesescsssssseseseessssssseseeness 434.4.1 Số liệu đầu VàO:: -G- G11 119191 1 5 910191511 1111011111 gu ng: 434.4.2 Kết quả thí nghiệm: ¿+ - 25265222 2E+EESE‡ESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErkrkrrrrrrree 444.5 Thí nghiệm 1 (Bài toán 3) - mẫu $6 (5: - + 2 2 +2+E+E2E2EE£E£E+EzEeEErErerrrree 464.5.1 Số liệu đầu VàO:: -G- G11 1119191 1 51911191511 1111111111 111g ng: 464.5.2 Kết quả thí nghiệm: ¿+ - 22652 SE+E+EESE£E#EEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrkrkrrrrkrree AT4.6 Thí nghiệm 1 (Bài toán 3) - mẫu $6 062 w ceeecccccsescsesescsessssescessessesesesssssssseseenees 494.6.1 Số liệu đầu VàO:: -G- G G11 1119191 1 51910191511 51110111111 1112 ng ng: 494.6.2 Kết quả thí nghiệm: - ¿- - - S2 S2 S623 E9 E1 E21 1521152111115 11 1111k 504.7 Thí nghiệm 1 (Bài toán 3) - mẫu $6 (7: ¿-¿- - + 2+2 +E+E+E+E£EE£E£E+EzEeEErkrerreree 534.7.1 Số liệu đầu VàO:: -G- G G11 1119191 1 5 110191961 111111111 g1 ng: 534.7.2 Kết quả thí nghiệm: ¿+ 252% S2 SE2E+EESE£E#EEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrkrkrrrrrrree 544.8 Thí nghiệm 1 (Bài toán 3) - mẫu số 0Ñ: - + 2 2 552E+E2EEE£E£E+ESEEErErerrrree 564.8.1 Số liệu đầu VàO:: -G- G11 1911191 1 5 110191511 11101111 TH ng: 564.8.2 Kết quả thí nghiệm: ¿+ - 252652 SE2E+EESE£ESEEEEEEEEEEEEEEEEEEEErrkrkrrrrrrree 574.9 Thí nghiệm 1 (Bài toán 3) - mẫu $6 09% - + 22 +E+E+E2E2EE£E£E£ESEEErErkrrrree 594.9.1 Số liệu đầu VàO:: -G- G11 1919191 1 51110191561 11110111111 111g ng ng: 594.9.2 Kết quả thí nghiệm: - ¿E52 S2 SE 2E E9 E1 12121521 E52111111 111111 xc 60

4.10 Thí nghiệm 2 (Bài toán 4) - mẫu dẫn: - ¿+ 2 2 2 2 +E+E+E+E+EeErErErersrererecee 62

4.11 Thí nghiệm 2 (Bài toán 4) - mẫu $6 ÖI: - + 2 2 22222 £££E+E£EzEzErerereee 634.11.1 Số liệu đầu VàO:: -.- Gv 1919191 1 5 911191911 11111111 TH ng ng: 634.11.2 Kết quả thí nghiệm: -¿-¿- E52 S2 SE E9 E1 121215211521 11115 11111 xe 644.12 Thí nghiệm 2 (Bài toán 4) - mẫu $6 (2: - + 2 2 +2+E+E+E2£££E+E£EzEzEzrerereee 66

4.12.1 Số liệu đầu VàO:: -á- G1 kh 191919111 111019111 3 11110111111 111g ng ng: 664.12.2 Kết qua thí nghiệm: ¿- E2 252221 E9 E1 1212151115 2111115 11111 xce G74.13 Thí nghiệm 2 (Bài toán 4) - mẫu $6 03: - + 2 222222 £E£E+E+EzEzErsrereee 694.13.1 Số liệu đầu VA! -.-G- G1191 9111 1110191111 11101111 T11 ng: 694.13.2 Kết quả thí nghiệm: -¿- E2 252223 E9 E1 1212151115 21111151 11111 xe 704.14 Thí nghiệm 2 (Bài toán 4) - mẫu $6 (41: ¿ - - + 252 22E+E+E2£E£E+E£EzEzEErsrereee 724.14.1 Số liệu đầu VàO:: -c- tt 919191 1E 910191111 11111111 TH 1g ng: 724.14.2 Kết quả thí nghiệm: - ¿E2 2522621 E9 E1 121215111521 11115 11111 xc 734.15 Thí nghiệm 2 (Bài toán 4) - mẫu $6 (5: - + 2 2 +2+E+E+E2£££E+E£EzEzEzrerereee 754.15.1 Số liệu đầu VàO:: -G- Gv 1111191 1E 910191111 11101111 T1 g1 ng: 764.15.2 Kết quả thí nghiệm: ¿-©- + 252221 E9 E1 1212151115 2111115 111111 xe 764.16 Thí nghiệm 2 (Bài toán 4) - mẫu sỐ (7: ¿- - + 2 2 2+E+E+E££££E+E£EzEzEzrerereee 784.16.1 Số liệu đầu VàO:: Gv 191119111 5 910191111 1111111111 111g ng ng: 704.16.2 Kết quả thí nghiệm: - ¿©5252 SE E9 E1 12121521 112111115 111111 xc 704.17 Thí nghiệm 2 (Bài toán 4) - mẫu $6 06: - + 2 222222 £2£E+E£EzEzE£erereee 814.17.1 Số liệu đầu VàO:: -G- 1k 1111121 v1 011191111 11101111 T11 ng: 814.17.2 Kết qua thí nghiệm: ccccccccccccscsssscsescscssescscscscsssscscsssesssscscssssssssessesseesens 824.18 Thí nghiệm 2 (Bài toán 4) - mẫu số 083 - + 2 2522222 £2£E+E£EzEzEzrerereee 844.18.1 Số liệu đầu VàO:: co eccceccccscscscesesecescscscecsscsvscscececsevevscscecsevavavacseeseseevavaceseseevavacees 844.18.2 Kết quả thí nghiệm: - ¿©5252 S21 E9 E1 1212151115 2111115 11111111 854.19 Thí nghiệm 2 (Bài toán 4) - mẫu $6 09% - + 2 2 2+E+E+E£E£E+E£EzEzErsrereee 874.19.1 Số liệu đầu VàO:: -á- G11 111119111 111019116 1 11101111 TH ng ng: 874.19.2 Kết quả thí nghiệm: ¿E52 S223 E9 E1 121215111521 11115 111111 884.20 Nhận xét chung kết quả thí nghiệm - + 2+ 2522252 +£+E+E££+EzEzersrreei 904.21 Nhận xét riêng từng tổ mẫu thí nghiệm - + 2 25 + 2 2 2+E+E+£z£z£ezereee 93Chương 5 Kết quả dự đoán trên mô hình phan tử hữu hạn - 2-2 55s+cs5<c: 965.1 Kết quả dự đoán vết nứt cho mẫu thí nghiệm 1 - Tổ mẫu x = 0 - 965.1.1 Kết quả hướng phat triển vết nứt thu được - - ¿5s + c2£s+sze+esrerered 96

5.2 Kết quả dự đoán vết nứt cho mẫu thí nghiệm 1 - Tổ mẫu x = 10 985.2.1 Kết quả hướng phat triển vết nứt thu được - + 25 + £2£s+szeseererered 985.2.2 Nhận xét kết qua hướng phát triển vết nứt mô phỏng oo eee 1005.3 Kết quả dự đoán vết nứt cho mẫu thí nghiệm 1 - Tổ mẫu x = 20 1015.3.1 Kết quả hướng phát triển vết nứt thu được ¿-2-5 + 2 2 s+s+s+esrersced 1015.3.2 Nhận xét kết qua hướng phát triển vết nứt mô phỏng oo eee 1025.4 Kết qua dự đoán vết nứt cho mẫu thí nghiệm 2 - Tổ mẫu y = 10 1035.4.1 Kết quả hướng phát triển vết nứt thu được - ¿2-5 + 2 2 s+s+s+eszerscsd 1035.4.2 Nhận xét kết quả hướng phát triển vết nứt mô phỏng -. -5-5- 1055.5 Kết quả dự đoán vết nứt cho mẫu thí nghiệm 2 - Tổ mẫu y = l5 1055.5.1 Kết quả hướng phát triển vết nứt thu được -.- ¿25-5 2 2 s+s+e+eszerscsd 1055.5.2 Nhận xét kết quả hướng phát triển vết nứt mô phỏng -5- 1075.6 Kết quả dự đoán vết nứt cho mẫu thí nghiệm 2 - Tổ mẫu y = 20 1075.6.1 Kết quả hướng phát triển vết nứt thu được - ¿+5 + 2 2 s+s+x+eszerscsd 1075.6.2 Nhận xét kết quả hướng phát triển vết nứt mô phỏng -. -5-5- 1095.7 Quy đạo phân bố ứng suất tại vùng lân cận đỉnh vết nứt mô phỏng 109Chương 6 So sánh hai kết qua ly thuyết và thực nghiệm 5-5- + 2525525252 1106.1 So sánh ứng suất kiếm chứng giữa hai mô hình lý thuyết và thực nghiệm 1106.1.1 Giá trị ứng suất mô phỏng, - ¿2+ 252292 £E£E+EE£E£EeEEEErErrrrkrrrrrrerree 1106.1.2 Giá trị ứng suất thí nghiệm mẫu số 1, tổ mẫu x = Ô - - 2 2 255552 1106.1.2.1 Kết qua ứng suất Strain Gauges thực nghiệm: - - 55+: 110

6.1.5.1 Kết qua ứng suất Strain Gauges thực nghiệm: - 55+: 116

6.1.5.2 Nhận Xé(: HH HH HH Tre 116

6.1.6 Giá trị ứng suất thí nghiệm mẫu số 2, tổ mẫu y = 10! : 118

6.1.6.1 Kết qua ứng suất Strain Gauges thực nghiệm: - 55+: 1186.1.6.2 Nhận xé: HH HH nọ Tre 1186.1.7 Gia tri ứng suất thi nghiém mau số 2, tổ mẫu y=2: cà 120

6.1.7.1 Kết qua ứng suất Strain Gauges thực nghiệm: - 255: 1206.1.7.2 Nhận X€t HH HH HT tre 1206.1.8 Nhận xét chung kết quả ứng suất kiểm chứng + 55 2 s+s+sz s52 1216.2 So sánh kết quả đường phát triển vết nứt của mô phỏng với thí nghiệm thực tế 1256.2.1 Khao sát khả năng hội tụ của đường nứt lý thuyết 5c 2 cscscs¿ 1256.2.2 Biéu đỗ đường nứt phát triển của thực nghiệm và mô phỏng bai toán 3 131

6.2.3 Biéu đỗ đường nứt phát triển của thực nghiệm và mô phỏng bai toán 4 135

6.2.4 Nhận xét kết quả so sánh giữa mô phỏng với thực nghiệm: 139

6.3 So sánh kết qua đường phát triển vết nứt của đề tài với một đề tài khác cùng cùnghướng nghiên cứu, áp dụng chuân mật độ năng lượng biên dạng (SE): 141

6.3.1 Biéu đỗ đường nut phat triển thực nghiệm và mô phỏng bai toán 3: 141

6.3.2 Biéu đỗ đường nut phát triển thực nghiệm và mô phỏng bai toán 4: 144

6.3.3 Nhận xét kết quả so sánh giữa hai dé tai sử dụng chung thí nghiệm: 147

Chương 7 Kết luận chung - ¿+ ¿56652 E29 SE£E9EE 323911212111 212111 211112111 148“7.1 KẾT luận tt 12121111 9101919110 01110111111 01111211 11g10 TT ng ri 1487.2 Kiến nghị, - S113 1 12 1 121115111111 11 111511111101 10111 110111010111 11 10 0101111110 y0 149

Chương 8 Tài liệu tham KhảO - << 1991001119 0.0 re 150Danh mục hình ảnh CC 0303333111101 0911111111111 10 10 1111111 00000 0 0 cv 036

Danh mục bảng biỀU C6 SE SE3SE 39152123911 15211111 211111211111 111 1111111111111

DANH MỤC HINH ANH

Hình 1.1 Mô ta dang phan tử trong các phương pháp BEM và XFEMHình 2.1 Mô tả ứng suất VÒng Gog của một phân tử trong lưới

Hình 2.2 Sự phân bố ứng suất ở đỉnh vết nut.Hình 2.3 Mối liên hệ giữa Gạo với ox và oy trong mặt phangHình 2.4 Hướng phát triển nứt dựa trên phan tử dat ứng suất vòng lớn nhấtHình 2.5 Mô tả lưới chia tại đỉnh vết nứt và phần tử vòng "ring elements"Hình 2.6 Mô tả chiều dài đoạn nứt a và bán kính r của phan tử vòngHình 2.7 Minh hoa phan tử SOLID 185 trong chương trình ANSYSHình 2.8 Dạng hình học mẫu tắm vô hạn chữ nhật

Hình 2.9 Kết quả thí nghiệm của Willam và EwingHình 2.10 Kết quả kiểm nghiệm của dé tài

Hình 2.11 So sánh kết quả giữa hai mô hình

Hình 3.8 Hệ thống máy bơm dầu cho kích và bơm nước giải nhiệtHình 3.9 Gia công mẫu tại xưởng cơ khí

Hình 3.10 Định vi vi tri dán Strain Gauges

Hình 3.11 Mai bóng bề mat mẫu thí nghiệm băng giấy nhámHình 3.12 Mẫu sau khi được mai bóng bé mặt và dan Strain GaugesHình 3.13 Quy trình lắp đặt hệ thông thí nghiệm

Hình 3.14 Điều khiến máy gia tải dé thu số liệu biến dang bang Strain GaugesHình 3.15 Khai báo Strain Gauges dau vao

Hình 3.16 Dữ liệu Strain Gauges hiện thị trên phân mềm xử lý (mẫu 3.8)Hình 4.1 Mô hình mẫu 3.1 với hai vết nứt hình nêm tạo sẵn trước khi thí nghiệmHình 4.2 Mẫu 3.1 sau khi kết thúc thí nghiệm

Hình 4.3 Khe nứt của mẫu 3.1 sau khi kết thúc thí nghiệmHình 4.4 Mô hình mẫu thì nghiệm 3.2 hai vết nứt hình nêm được tạo sẵnHình 4.5 Mẫu 3.2 sau khi kết thúc thí nghiệm

Hình 4.6 Khe nứt của mẫu 3.2 sau khi kết thúc thí nghiệm

Hình 4.7 Mô hình mẫu thí nghiệm 3.3 trước khi thực hiện thí nghiệm

Hình 4.8 Mẫu 3.3 sau khi kết thúc thí nghiệmHình 4.9 Khe nứt của mẫu 3.3 sau khi kết thúc thí nghiệmHình 4.10 Quá trình phát triển vết nứt mẫu 3.3 theo chu kỳ tải lặpHình 4.11 Mô hình mẫu thí nghiệm tô mẫu 2 với hai vết nứt (kích thước dùng mm)Hình 4.12 Khe nứt mẫu 3.4 sau khi kết thúc thí nghiệm

Hình 4.13 Mẫu 3.4 sau khi kết thúc thí nghiệm

Khe nứt của vết nứt | mẫu 3.6 sau khi kết thúc thí nghiệmKhe nứt của vết nứt 2 mẫu 3.6 sau khi kết thúc thí nghiệmQuá trình phát triển vết nứt 1 mẫu 3.6 theo chu kỳ tải lặpQuá trình phát triển vết nứt 2 mẫu 3.6 theo chu kỳ tải lặpMô hình mẫu thí nghiệm với hai vết nứt (kích thước dùng mm)Mẫu 3.7 sau khi kết thúc thí nghiệm

Khe nứt mẫu 3.7 sau khi kết thúc thí nghiệmQuá trình phát triển vết nứt mẫu 3.7 theo chu kỳ tải lặpMô hình mẫu thí nghiệm với hai vết nứt (kích thước dùng mm)Mẫu 3.8 sau khi kết thúc thí nghiệm

Khe nứt mẫu 3.8 sau khi kết thúc thí nghiệmQuá trình phát triển vết nứt mẫu 3.8 theo chu kỳ tải lặpMô hình mẫu thí nghiệm 3.9 với hai vết nứt (kích thước dùng mm)Mẫu 3.9 sau khi kết thúc thí nghiệm

Khe mẫu 3.9 sau khi kết thúc thí nghiệmQuá trình phát triển vết nứt mẫu 3.9 theo chu kỳ tải lặpKết quả khe nứt trong thí nghiệm mẫu dẫn với một vết nứt

Khe nứt mẫu 4.2 sau khi kết thúc thí nghiệmQuá trình phát triển vết nứt mẫu 4.2 theo chu kỳ tải lặpMô hình mẫu thí nghiệm với một vết nứt (kích thước dùng mm)Mẫu 4.3 sau khi kết thúc thí nghiệm

Khe nứt mẫu 4.3 sau khi kết thúc thí nghiệmQuá trình phát triển vết nứt mẫu 4.3 theo chu kỳ tải lặpMô hình mẫu thí nghiệm với một vết nứt (kích thước dùng mm)Mẫu 4.4 sau khi kết thúc thí nghiệm

Khe nứt mẫu 4.4 sau khi kết thúc thí nghiệmQuá trình phát triển vết nứt mẫu 4.4 theo chu ky tải lặpMô hình mẫu thí nghiệm với một vết nứt (kích thước dùng mm)Mẫu 4.5 sau khi kết thúc thí nghiệm

Khe nứt mẫu 4.5 sau khi kết thúc thí nghiệmQuá trình phát triển vết nứt mẫu 4.5 theo chu kỳ tải lặpMô hình mẫu thí nghiệm với một vết nứt (kích thước dùng mm)Mẫu 4.7 sau khi kết thúc thí nghiệm

Khe nứt mẫu 4.6 sau khi kết thúc thí nghiệmQuá trình phát triển vết nứt mẫu 4.6 theo chu kỳ tải lặpMô hình mẫu thí nghiệm với một vết nứt (kích thước dùng mm)Mẫu 4.8 sau khi kết thúc thí nghiệm

Khe nứt mẫu 48 sau khi kết thúc thí nghiệmQuá trình phát triển vết nứt mẫu 4.8 theo chu kỳ tải lặpMô hình mẫu thí nghiệm với một vết nứt (kích thước dùng mm)Mẫu 4.9 sau khi kết thúc thí nghiệm

Khe nứt mẫu 4.9 sau khi kết thúc thí nghiệmQuá trình phát triển vết nứt mẫu 4.9 theo chu kỳ tải lặpThống kê tổng chu kỳ thí nghiệm

Thống kê tong chu kỳ thí nghiệm 2Hình 5.1 Kết quả mô phỏng ANSYS tổ mẫu x = 0

Hình 5.2. Biéu đồ phân bố ứng suất phá huỷ tổ mẫu x = 0Hình 5.3 Kết quả mô phỏng ANSYS tổ mẫu x = 10

Hình 5.4. Biéu đồ phân bố ứng suất phá huỷ tổ mẫu x = 10Hình 5.5 Kết quả mô phỏng ANSYS tổ mẫu x = 20

Hình 5.6. Biéu đồ phân bố ứng suất phá huỷ tổ mẫu x = 20Hình 5.7 Kết quả mô phỏng ANSYS tổ mẫu y = 10

Hình 5.8. Biéu đồ phân bố ứng suất phá huỷ tổ mẫu y = 10

Hình 5.9 Kết quả mô phỏng ANSYS tổ mẫu y = 15

Hình 5.10. Biéu đồ phân bố ứng suất phá huỷ tổ mẫu y = 15Hình 5.11 Kết quả mô phỏng ANSYS tổ mẫu y = 20

Hình 5.12.

Hình 5.13.

Biéu đồ phân bố ứng suất phá huỷ tổ mẫu y = 20Quỹ đạo ứng suất ở đỉnh vết nứt

Hình 6.1 Biêu đô so sánh ứng suât tô mau x = 0

Hình 6.2 Biéu đồ so sánh ứng suất tô mẫu x = 10Hình 6.3 Biéu đồ so sánh ứng suất tô mẫu x = 20Hình 6.4 Biéu đồ so sánh ứng suất t6 mẫu y = 15Hình 6.5 Biéu đồ so sánh ứng suất tô mẫu y = 20Hình 6.6 Biéu đồ so sánh ứng suất tô mẫu y = 10Hình 6.7 Biểu đồ hiện thị giá trị tải trọng yêu cầu cho kích thuỷ lực

Hình 6.8 Mẫu thí nghiệm 2 bị xoay ngang khi kết thúc thí nghiệmHình 6.9 So sánh độ hội tụ kết quả đường phát triển vết nứt mẫu 3.4

Kết quả kiểm chứng mẫu 3.2Kết quả kiểm chứng mẫu 3.3Kết quả kiểm chứng mẫu 3.4Kết quả kiểm chứng mẫu 3.5Kết quả kiểm chứng mẫu 3.6Kết quả kiểm chứng mẫu 3.7Kết quả kiểm chứng mẫu 3.8Kết quả kiểm chứng mẫu 3.9Kết quả kiểm chứng mau 4.1Kết quả kiểm chứng mẫu 4.2Kết quả kiểm chứng mẫu 4.3Kết quả kiểm chứng mẫu 4.4Kết quả kiểm chứng mẫu 4.5Kết quả kiểm chứng mẫu 4.7Kết quả kiểm chứng mẫu 4.6Kết quả kiểm chứng mẫu 4.8Kết quả kiểm chứng mẫu 4.9

Hình 6.39 Khe nứt sau thí nghiệm mẫu 4.5

Hình 6.40 So sánh kết quả mô phỏng giữa hai dé tài của mẫu 3.1Hình 6.41 So sánh kết quả mô phỏng giữa hai dé tài của tổ mẫu 3.2

DANH MỤC BANG BIEU

Bảng 4.1 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 3.3Bảng 4.2 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 3.4Bảng 4.3 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 3.5Bảng 4.4 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 3.6Bảng 4.5 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 3.7Bảng 4.6 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 3.8Bảng 4.7 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 3.9Bảng 4.8 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 4.1Bảng 4.9 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 4.2Bảng 4.10 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 4.3Bảng 4.11 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 4.4Bảng 4.12 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 4.5Bảng 4.13 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 4.7Bảng 4.14 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 4.6Bảng 4.15 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 4.8Bảng 4.16 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 4.9Bảng 4.17 Thống kê kết quả chu ky thí nghiệm IBảng 4.18 Thống kê kết quả chu kỳ thí nghiệm 2

Bang 5.1.1 Kết quả toa độ đỉnh vết nứt theo từng chu kỳ phát triển (từ al tới a8)Bang 5.1.2 Kết quả toa độ đỉnh vết nứt theo từng chu kỳ phát triển (từ a9 tới al5)Bảng 5.2.1 Kết quả toạ độ đỉnh vết nứt theo từng chu kỳ phát triển (từ al tới a9)Bang 5.2.2 Kết quả toa độ đỉnh nứt theo từng chu kỳ phát triển (từ a10 tới al7)Bang 5.3.1 Kết quả toa độ đỉnh vết nứt theo từng chu kỳ phát triển (từ al tới a7)Bang 5.3.2 Kết quả toa độ đỉnh nứt theo từng chu kỳ phát triển (từ a8 tới al4)Bảng 5.4.1 Kết quả toạ độ đỉnh vết nứt theo từng chu kỳ phát triển (từ al tới a6)Bang 5.4.2 Kết quả toa độ đỉnh nứt theo từng chu kỳ phát triển (từ a7 tới al 1)Bang 5.5.1 Kết quả toa độ đỉnh nứt theo từng chu kỳ phát triển (từ al tới al0)Bảng 5.5.2 Kết quả toa độ đỉnh nứt theo từng chu kỳ phát triển (từ a11 tới a20)Bang 5.6.1 Kết quả toa độ đỉnh vết nứt theo từng chu kỳ phát triển (từ al tới a8)Bang 5.6.2 Kết quả toa độ đỉnh nứt theo từng chu kỳ phát triển (từ a9 tới al6)Bang 6.1 Giá trị ứng suất kiếm chứng theo mô hình lý thuyết

Bang 6.2 Giá trị ứng suất kiểm chứng theo thực nghiệm tô mẫu x = 0Bảng 6.3 Giá trị ứng suất kiểm chứng theo thực nghiệm tổ mẫu x = 10Bảng 6.4 Giá trị ứng suất kiểm chứng theo thực nghiệm tổ mẫu x = 20Bảng 6.5 Giá trị ứng suất kiểm chứng theo thực nghiệm tổ mẫu y = 15Bảng 6.6 Giá trị ứng suất kiểm chứng theo thực nghiệm tổ mẫu y = 20Bảng 6.7 Giá trị ứng suất kiểm chứng theo thực nghiệm tổ mẫu y = 10Bảng 6.8 Khảo sát độ hội tụ tổ mẫu x = 10

Bảng 6.9 Khảo sát độ hội tụ tổ mẫu x = 20

<< E8 © 8S>

GHI CHU KY HIEU

Hệ số cường độ ứng suấtHệ số cường độ ứng suất (tinh) đặc trưng cho dang nứt mode IHệ số cường độ ứng suất (tĩnh) đặc trưng cho dạng nứt mode IIHệ số cường độ ứng suất (tinh) đặc trưng cho dạng nứt mode IIIĐộ bền (giới hạn) phá huỷ (tĩnh) biến dạng phăng của vật liệuỨng suất pháp vòng theo Erdogan va Sih

Góc đặc trưng cho mối liên hệ giữa K; và KyGóc định hướng phát triển vết nứt (góc lan truyền nứt)Ứng suất chính theo phương x hệ trục toạ độ OxyzỨng suất chính theo phương y hệ trục toạ độ OxyzỨng suất tiếp theo hướng xy hệ trục toạ độ OxyzChiều dài đoạn nứt theo chu kỳ khảo sát

Bán kính phần tử vòng “ring elements”Khoảng cách từ tâm vết nứt đến cạnh ngang tam vô hạn hình chữ nhậtKhoảng cách từ tâm vết nứt đến cạnh doc tấm vô hạn hình chữ nhậtGóc nghiêng của vết nứt so với phương đặt tải

Module đàn hồi Young của vật liệu

Hệ sô PoissonKhoảng cách ngang của lô tròn đên khe nứt tạo săn mau Compact Tension

Khoảng cách dọc của lỗ tròn đến khe nứt tạo sẵn mẫu Compact TensionMã số ký hiệu mẫu thí nghiệm 1 - bài toán 3

Mã số ký hiệu mẫu thí nghiệm 2 - bài toán 4

TOM TAT LUẬN VĂN“Nghiên cứu quá trình phát triển vết nứt của tấm thép chịu ảnhhưởng mode kết hợp theo chuẩn ứng suất vòng lớn nhất”

Đề tài này trình bày việc dự đoán đường phát triển vết nứt trong tâm thépdưới tác dụng mode kết hợp (combine mode: mode I — mode II) theo chuẩn ứngsuất pháp vòng lớn nhất (Maximum circumferential stress criterion - MCSC) bangkỹ thuật chia lại lưới (remeshing technique) với những phan tử don giản trên môhình phan tử hữu hạn Thông qua dé tài này, tác giả đề xuất một quy trình ứng dụngcho chuẩn MCSC trong việc dự đoán hướng phát triển vết nứt combine mode mộtcách đơn giản hơn cho người sử dụng phần mềm tính toán phan tử hữu hạn Ngoàira, kết quả dự đoán hướng phát triển của vết nứt sẽ được đối chiếu bằng các bài toánthực nghiệm Việc so sánh dữ liệu hướng phát triển của vết nứt trong mô hình thínghiệm thu nhỏ va dữ liệu thu được từ quy trình dự đoán áp dụng mô hình phan tửhữu han sẽ khang định mức độ hop lý và chính xác của chuẩn MCSC với kỹ thuật

chia lại lưới.

Chương 1 Tổng quan

1.1 Tình hình nghiên cứu:

Khi một vét nut xuât hiện, tại môi bước phát triên tôn tại hai van dé cân

nghiên cứu gôm: Tiến trình phát triển của vết nứt và hướng lan truyền tiếp theo

Hệ số cường độ ứng suất K thường được dùng để xác định thời điểm vết nứttiếp tục phát triển Cụ thé như trường hợp vết nứt chịu ảnh hưởng của mode I có hệsố cường độ ứng suất K), điều kiện dé vết nứt phát triển là K; = Ky với Kye giá tricực hạn cua vật liệu (tương tự cho Ky và Ky) Trong một số chuẩn khác về nănglượng, các thông số như tốc độ giải phóng năng lượng, mật độ năng lượng biếndạng cũng có ý nghĩa tương đồng

Khi đã chứng tỏ được vết nứt sẽ tiếp tục phát triển thì công việc sau đó là tìmhướng lan truyền tiếp theo Về lý thuyết công việc này chỉ có thé xác định dựa trên

một sô chuân như sau:

e Nhóm chuẩn xác định hướng phát triển vết nứt theo vùng ứng suất cục bộquanh đỉnh nứt, ví dụ như Chuẩn ứng suất pháp vòng lớn nhất được giới thiệu bởiErdogan va Sih [1], Chuẩn bién dang tối da [2], Chuan ung suất tiếp lớn nhất [3]

e Nhóm chuẩn dựa trên sự phân bố năng lượng theo từng phan phát triểncủa vết nứt, theo hướng phát triển nứt tong thể, như Chuẩn tốc độ giải phóng nănglượng biến dạng lớn nhất ([4], [5] [6], [7], [8]) Chuan mật độ năng lượng biến

dang (SED) [9]

e Mot số tác giả cũng đã dé xuất dé xác định phan vết nứt mở rộng bangcách sử dụng mô hình mở rộng liên tục ({101, [11]) Những lý thuyết này dựa trêngiả thuyết rằng khi khoảng hở xuất hiện và độ mở rộng của khoảng hở đó sẽ điều

khiên sự phát trién của vét nut [12].

Khi lựa chọn một trong các chuân này, cần xem xét hai điêu kiện chủ yêu:

e Liệu các chuẩn có đảm bảo xem xét được đầy đủ các tinh chat vật lý của

vật liệu hay không?

e Các chuân có thê được thực hiện dé tính toán một cách chính xac?

Trong cơ học rạn nứt, nghiên cứu vết nứt ở các dạng đơn mode là công việcđã trở nên khá phố biến va dé dàng Tuy nhiên, trên thực tế, các vết nứt đều hìnhthành ở dạng mode kết hợp (combine mode) Những khó khăn chính bao gồm VIỆClựa chọn các chuẩn lan truyền nứt phù hợp và phương pháp số áp dụng tương ứng.

Đối với phương pháp số ứng dụng, phần tử hữu hạn là một trong nhữngphương pháp số được sử dụng rộng rãi nhất Tuy nhiên, sự phát triển của một vếtnứt sẽ dẫn đến sự không liên tục của các giá trị biến dạng và ứng suất Dé xử lý sựkhông liên tục của các giá trị trên trong mô hình phần tử hữu hạn, một số phươngpháp số tiên tiến hiện nay đang được sử dụng bao gồm: phương pháp phân tử biên(boundary element method — BEM) [13] xác định hướng phát triển vết nứt thôngqua những phan tử ở vùng biên của khu vực xung quanh đỉnh vết nứt (hình 1.1a);hay phương pháp phan tử hữu hạn mở rộng (extended finite element method —XFEM) [14] giữ nguyên lưới và chia nhỏ nút phan tử dé tìm hướng phát triển vếtnứt (hình 1.1b) Tuy nhiên việc ứng dụng các phương pháp trên vào phần mềm phantử hữu hạn vẫn còn nhiều khó khăn bởi đối tượng cần xử lý là những yếu tố, thuộctính của phan tử Cụ thể người dùng buộc phải sử dụng những phan tử đặc biệt cóđộ phức tạp cao hoặc thay đôi hàm dang của phan tử

a) ° b)

Hình 1.1 Mô ta dang phan tử trong các phương pháp BEM và XFEMTrong một công bố vào năm 2003, Bouchard và đồng sự [15] đã đề xuất ýtưởng thay đổi chỉnh sửa từng phan trong suốt quá trình phát triển của vết nứt, từ đóxuất hiện kỹ thuật chia lại lưới (remeshing technique) Hướng đi mới này mở ra cơhội về một phương pháp ứng dụng đơn giản hơn cho người dùng trong việc dự đoán

con đường phát triển vết nứt Yếu t6 quan trọng làm giảm bớt khó khăn nam ở chỗđối tượng xử lý của kỹ thuật này chỉ là những phan tử thông thường.

Đề tài này nghiên cứu khả năng ứng dụng được kỹ thuật chia lại lưới dùngtrong việc dự đoán hướng phát triển của vết nứt theo chuẩn MCSC, diễn ra trên môhình phan tử hữu hạn chịu ảnh hưởng của combine mode (mode I và mode II) ởtrong mặt phang Chuan MCSC được chọn dé dự đoán hướng phát triển vết nứt bởivì có khả năng kết hợp dễ dàng với các phần mềm mô hình sử dụng phương phápphân tử hữu hạn

1.3 Phương pháp nghiên cứu:

e Tìm hiểu mô hình chuẩn MCSC.e Thực hiện các bài toán và so sánh kết quả ví dụ đã có dữ liệu với việc ápdụng chuẩn MCSC trong phan tử hữu hạn đối với vết nứt

e Thực hiện thí nghiệm để đối chiếu với kết quả trong lý thuyết.1.4 Phạm vi nghiên cứu:

e Giới hạn trong mặt phang với combine mode I va mode II.e Đối với tải trọng tác dụng, chỉ thực hiện khảo sát ảnh hưởng của tần số thínghiệm đến quá trình phát triển vết nứt

e Giới hạn ở miên đàn hồi tuyên tính.

1.5 Chuẩn ứng suất pháp vòng lớn nhất

Chuẩn ứng suất pháp vòng lớn nhất (Maximum circumferential stresscriterion — MCSC) được giới thiệu boi Erdogan và Sih [1], định nghĩa vết nứt lantruyền theo hướng mà ứng suất vòng oe đạt giá trị lớn nhất Điều đó có nghĩa làhướng phát triển vết nứt được xác định trực tiếp bởi trường ứng suất cục bộ dọctheo một vòng tròn nhỏ có bán kính r với tâm tại đỉnh vết nứt (Hình 2.1) Xét trongtrường hợp vết nứt ở dạng kết hop (combine mode I — mode II) ham ứng suất vòng

o theo biên @ chứa các hệ sô cường độ ứng suât K;, K;; như sau:

phương trình đạo hàm sau:

OO gg

—” =0 3fale, 0-0, )

Như vậy, việc xác định hướng phát triển tiếp theo của vết nứt sẽ phụ thuộc vàoviệc đi tìm giá trị góc gây nứt Ø; tương ứng với giá trị ứng suất vòng lớn nhất Phântích toán học từ hướng tính toán nói trên thu được phương trình lý thuyết chính củachuan MCSC như sau:

K,sinØ +K„,(3cos@—-I)=0 (4)

Chương 2 Mô hình lý thuyết

2.1 Nguyên lý

Chuẩn này được sử dụng rộng rãi trong lý thuyết, nhưng các chỉ tiết liênquan đến ứng dụng số của nó thì hiếm khi được đề cập đến do khó khăn trong quátrình tính toán số học Nguyên nhân chính gây ra khó khăn này là việc các hệ sốcường độ ứng suất K,, Kj của phương trình (4) chưa được tính băng phan mém phantử hữu han Do vậy, việc tính toán các góc đ; chi có thé dựa vào so sánh ứng suấtvòng Ope tại mỗi điểm phan tử ở đỉnh vết nứt Mô tả ứng suất vòng ogg trong lướiphan tử như trong hình 2.1

AN

VANGE

Hình 2.1 Mô tả ứng suất vòng og của một phần tử trong lướiTrong phương pháp ứng dụng thông thường cần phải xác định giá trị ứngsuất vòng ope của các điểm phan tử thuộc trường ứng suất dọc theo chu vi một vòngtròn nhỏ bán kính r với tâm tại đỉnh vết nứt Kỹ thuật chia lưới được sử dụng đểchia một lưới phần tử vòng tương ứng với vòng tròn ứng suất nói trên, mỗi điểmphan tử trên vòng sẽ tương ứng với một phan tử của lưới được chia Giá trị ứng suấtVÒng Ogg tại các điểm phan tử được tinh toán dựa trên giá tri tại nut của phan tử Ứngsuất tương ứng trong lưới So sánh các giá tri tại nút xác định giá tri lớn nhất tương

ứng với ứng suât vòng Ogg lớn nhat cân tim.

II

Nguyên nhân sử dụng kỹ thuật chia lại lưới được giải thích như sau: van dékhó khăn đặt ra là các giá trị ứng suất tại nút nói trên chỉ có thể tính toán được băngphương pháp nội suy với điều kiện cần là xấp xi liên tục Tuy nhiên qua các ranhgiới phần tử thì các trường ứng suất lại không liên tục Điều này dẫn tới hệ quả làdùng lưới phần tử cố định không giải quyết được van dé mà phải sử dụng các phantử đặc biệt hoặc thay đổi các yếu tố, thuộc tính của từng phần tử liên quan Khi ápdụng kỹ thuật chia lại lưới thì khó khăn này đã được giải quyết và việc tính toán

ứng suât vòng chỉ cần dựa trên những phân tử đơn giản.

Yêu cau đặt ra dé đưa được ứng suất pháp vòng ogg vào trong phan tử hữuhạn là phải phân tích giá trị ogg nay theo các ứng suất co bản thông qua phươngpháp chuyền trục Sự phân bố ứng suất tại đỉnh vết nứt được thé hiện như trong hình2.2 Xét trong trường ứng suất vô cùng bé, dạng của ứng suất vòng ogg sẽ là đườngthăng Qua đó thé hiện mối liên hệ của ogg với ø; và Øy trong mặt phăng như trong

hình 2.3.

er ee re ee ST.“ ee ee ee ee

Hình 2.2 Sự phân bố ứng suất ở đỉnh vết nút

Với công thức tính toán ứng suât đa; như sau:

2.2 Phương pháp chia lưới và mô hình phân tử ở đỉnh vết nút

Phương pháp ứng dụng khái quát là xác định hướng lan truyền nứt theohướng của phan tử trong lưới chia đạt ứng suất pháp vòng ogg lớn nhất (Hình 2.4)

Max Øaa

Hướng pháttriên vết nứt

Hình 2.4 Hướng phát triển nứt dựa trên phần tử đạt ứng suất vòng lớn nhấtTuy nhiên, việc dựa vào các điểm phân tử được chia tại đỉnh vết nứt xuấthiện hệ quả gây sai lệch đó là sự phụ thuộc của hướng lan truyền nứt vào lưới chia

Do đó ứng dụng theo định hướng này sẽ không thích hợp Thay vào đó là một

phương pháp ứng dụng khác được tính toán dựa trên trường ứng suất trong vùng lân

cận đỉnh vét nứt như sau:

e Các diém phân tử khu vực lan cận đỉnh nut được xác định.e Đôi với môi điềm, tìm tri riêng và vector riêng của tensor ứng suât.e Những tri riêng cung cap những ứng suât chính va cho phép dé tìm hướnglan truyền nứt của môi diém phan tử.

Theo phương pháp này, vết nứt sẽ phát triển theo hướng có ứng suất phápvòng lớn nhất so với các vùng khác có cùng khoảng cách tới vị trí đỉnh vết nứt Dođó xác định được mô hình các phần tử ở vùng đỉnh nứt có cùng khoảng cách đến vịtrí đỉnh, các phần tử này khép lại với nhau sẽ tạo thành một vòng tròn với tâm làđiểm đỉnh vết nứt Các phần tử này được gọi là "ring elements" (Hình 2.5)

Hình 2.5 Mô tả lưới chia tại đỉnh vết nứt và phan tử vòng "ring elements"Bên cạnh đó, việc chia lại lưới quanh đỉnh vết nứt tại mỗi chu kỳ sẽ cho kếtquả chính xác cao hơn trong quá trình dự đoán hướng phát triển của vết nứt Tạimỗi bước phát triển của vết nứt, toàn bộ các phan tử trong vùng quanh đỉnh nut sẽđược phân chia lại Một lưới mới được hình thành và ở trong vùng cần tính toán thìsố lượng phan tử được tang lên dé đạt độ chính xác cao hon đồng thời tối ưu hóa

thời gian tính toán.

Số lượng phần tử trên vòng phần tử vùng lân cận đỉnh vết nứt được chia đểđảm bảo xác định được hướng đi của vết nứt Số lượng phan tử qua it sẽ rất khó xácđịnh được hướng đi chính xác của vết nứt khi đã tìm được giá trỊ lớn nhất của ứngsuất pháp vòng nhưng cũng không nên chia quá nhiều phân tử bởi mô hình sẽ trở

nên phức tạp.

Trình tự thiết lập mẫu mô hình như sau:

e Bước 1: Các mô hình phan tử hữu han có vét nứt được xác định trước

hướng phát triển cơ bản đồng thời được tạo sẵn mối quan hệ combine mode thông

15

qua vị trí tương đối giữa đỉnh vết nứt với mép biên mẫu và các lỗ trông được taosăn Qua đó xác định giá trị hệ số cường độ ứng suất K tương ứng.

e Bước 2: Các vết nứt phát triển từng bước nhỏ theo định hướng ban đầu:e Bước 3: Các mô hình được chia lưới lại dựa theo ví trí đỉnh vết nứt mới;e Bước 4: Quá trình nay được lặp đi lặp lại cho đến khi vết nứt đạt kích

thước yêu câu.

Phương pháp ứng dung của MCSC khá đơn giản khi chỉ đơn thuan giải quyếttheo ứng suất vòng lớn nhất xác định được Nguyên lý thực hiện dựa trên một thựctế là hướng vết nứt lan truyền vuông góc với ứng suất kéo chính lớn nhất Bởi tínhchất đơn giản như vậy nên MCSC là một trong những chuẩn thường được sử dụngnhất Tuy nhiên nó cũng có thể là vẫn đề bởi vì tính toán trường ứng suất trongvùng lân cận với đỉnh vết nứt được xem là gần đúng Chính vì vậy, để giảm thiểutối đa sai số này, học viên đề xuất phương pháp xác định ứng suất cho mỗi "ringelements" dựa trên ứng suất tại nút của mỗi phẫn tử Khi đó ứng suất lớn nhất tạibiên mỗi phân tử sẽ tương ứng với ứng suất lớn nhất thu được tại các nút của phầntử đó Băng cách này có thé loại trừ được sự sai lệch ứng suất gần đúng giữa ranhgiới các phan tử trong trường ứng suất do ứng suất tại biên đã được quy đổi về ứngsuất tại nút

Từ hướng tiếp cận như trên, học viên đưa ra một quy trình chung để thựchiện tính toán góc Ø của một chu kỳ trên phần mém phan tử hữu hạn như sau:

e Bước 1: Xây dựng mô hình với vết nứt tao sẵn.e Bước 2: Xây dựng lưới phan tử và đặt “ring elements” xung quanh đỉnh

® Bước 5: Xác định điểm cực đại cục bộ và 2 diém lân cận.

e Bước 6: Thiết lập Parabol đi qua 3 điểm trên, từ đó có đỉnh Parabol chokết quả góc Ø tương ứng

e Bước 7: Thiết lập vết nứt tiếp theo bằng góc Ø trên với giá trị chiều dài vết

nứt a xác định.

e Bước 8: Chia lại lưới và lặp lại quy trình.

2.3 Điều kiện ràng buộc áp dụng

Yêu cầu ràng buộc chính cần được đảm bảo ở phương pháp ứng dụng này làkhả năng hội tụ của đường nứt tính toán Điều này phụ thuộc vào hai đại lượng baogôm chiều dài đoạn nứt a sau mỗi chu ky và bán kính r của những phan tử vòngtrong lưới chia Trong đó chiều dài đoạn nứt a cần xác định đủ lớn dé đảm bảo độchính xác của đường nứt dự đoán và đủ nhỏ để số vòng lặp phù hợp thực tế môphỏng Còn bán kính r của phan tử vòng cần được xác định trong một giới hạn phùhợp sao cho vết nứt vẫn ở trong vùng Singularity Zone xung quanh đỉnh vết nứtnhằm đảm bảo khả năng hội tụ của đường nứt tính toán (Hình 2.6)

2.4 Chỉ tiết phần tử trong mô hình phần tử hữu hạn

Để xây dựng mô hình trên phan mềm ANSYS, học viên sử dụng phan tửSOLID 185 Phan tử này có dạng khối hình hộp không gian với 8 nút và 3 bậc tự doở mỗi nút, ưu điểm của phần tử này là có thể tự động ghép nút để mô phỏng thànhcác phần tử dạng 3D khác như lăng trụ tam giác 6 nút, tứ diện 4 nút hoặc hình chóp

5 nút (hình 2.7).

Hình 2.7 Minh hoạ phần tử SOLID 185 trong chương trình ANSYS

2.5 Bái toán kiểm nghiệm lý thuyết bằng kết quả công trình nghiên cứu

tương tự đã có kết quả thực nghiệm

Ở mục này đưa ra hai thí nghiệm đã có kết quả thực tế, dé tai sử dung phanmềm phan tử hữu hạn ANSYS để mô phỏng số lại thí nghiệm và thực hiện dự đoánkết quả theo chuẩn MCSC, sau đó so sánh kết quả dự đoán với kết quả thí nghiệm

MNOP

| <M.2k

dé kiểm chứng kha năng ứng dung thực tiễn của chuẩn MCSC

2.5.1 Mô hình thí nghiệm với tam chữ nhật có vết nứt nghiêng ở giữa

William và Ewing [I6] đã thực hiện một thí nghiệm tải trọng tĩnh trên một

tam thép vô hạn hình chữ nhật có vết nứt ngay chính giữa được thể hiện như tronghình 2.8 Hướng của vết nứt ban đầu được thay đổi, từ đó tìm ra hướng phát triểntiếp theo tương ứng cho từng mức độ ảnh hưởng combine mode (mode I — mode II)

MKAAKAAAA

Hinh 2.8 Dang hinh hoc mâu tắm vô hạn chữ nhật

Theo một công trình nghiên cứu của Tada và cộng sự [17], ông đã đưa rabiêu thức tính hệ sô cường độ ứng suat của mâu tam mỏng hình chữ nhật với chiêurộng hữu hạn có vet nut ở chính giữa như sau:

Trong đó, khi tỉ lệ a/b tiễn về gần 0, hàm F(a/b) sẽ tiễn về gan 1, tam được xem nhưcó bề rộng vô hạn Tương tự khi tỉ lệ h⁄b không nhỏ hơn 3 cũng được xem là một

điêu kiện cho tâm như trên.

Bài thí nghiệm của William đã được thực hiện trên mẫu có thông số hình họctương ứng với mẫu ở hình 4 như sau: h = 150mm, b = 50mm và a = 2mm Hai điềukiện cho tâm được xem như có bề rộng vô hạn nói trên sẽ được áp dụng Vật liệu sửdụng cho mẫu là nhôm, với các thông số vật liệu cơ bản: E = 68.3 GPa và v = 0.34.Bang cách thay đối góc B từ 0° đến 90° sẽ tương ứng chuyển đổi từ chế độ đơnmode II sang đơn mode I cua vết nứt Qua đó thé hiện được các mức độ anh hưởngcủa từng don mode trong chế độ combine mode (mode I — mode II)

Kết quả thi nghiệm của William va Ewing được thé hiện trong hình 2.9

B (degree)

Hình 2.9 Kết quả thí nghiệm của Willam va Ewing

s* Kết quả kiếm nghiệm của đề tài dựa theo chuan MCSC:

90 1.167 s0 900 \ 780 21 aaa

70 30 70.000 R

60 375 s0 000

50 56.667 +40 65.5 50.000

30 76.633 40.000 @Series1

20 80 sooo x10 77.459 °

Kết quả thu được cho thấy quy trình ứng dụng chuẩn MCSC đưa ra kết quảgóc phát triển nứt Ø dự đoán được bằng mô hình lý thuyết phần tử hữu hạn chênhlệch không quá lớn so với góc phát triển vết nứt từ thí nghiệm thực tế (ngoại trừ giátrị B = 30°) Do vay dé tài đã chứng minh được phương pháp dự đoán hướng pháttriển chung của vết nứt combine mode đáp ứng độ chính xác tương đối cao.

2.5.2 Mô hình thí nghiệm trên mẫu Compact Tension (CT):

Phần này mô tả thí nghiệm từ một công trình nghiên cứu tương tự của

Department of Civil Engineering, Pontifical Catholic University of Rio de Janeiro

[18] da thu duoc két quả của hướng phat triển vết nứt thực tế Học viên sử dụngphan mém ANSYS dé mô phỏng số lại các mô hình thí nghiệm va dự đoán hướngphát triển vết nứt theo chuân MCSC dé so sánh kết quả

Các thí nghiệm đã được thực hiện trên mẫu CT chịu tải trọng lặp biên độ

không đổi Hình dang, kích thước mẫu như trong hình 2.12 Mẫu thí nghiệm đượcchế tạo từ hợp kim thép cán nguội SAE 1020 với phân tích tỉ lệ phân trăm vật liệu

theo trọng lượng như sau: C 0.19, Mn 0.46, Si 0.14, Ni 0.052, Cr 0.045, Mo 0.007,

Cu 0.11, Nb 0.002, Ti 0.002, con lai la Fe Thong số co bản của vật liệu SAE 1020

như sau: # = 205 GPa va v= 0.3.

Có bốn mẫu được sử dụng trong thí nghiệm Mỗi mẫu có một lỗ đường kính7mm được thay đổi vị trí theo khoảng cách ngang A và khoảng cách dọc B, đượcthé hiện ở hình 2.12 Theo đóthay đối tác động của thành phần Mode II trong quatrình lan truyền vết nứt combine mode (mode I — mode II).

Theo cong bố của Viện Đại hoc Rio, kết quả thí nghiệm đã ghi nhận ảnhhưởng của lỗ tròn tới sự phát triển của vết nứt Vị trí lỗ làm tăng hay giảm ảnhhưởng của mode II ở trạng thái combine, kết quả được phản ánh cụ thé qua hai hiệntượng vết nứt phát triển "hướng vao lỗ" hoặc "bỏ qua 16" ở từng mẫu thử tương ứng

Đối với thí nghiệm này, tương tự như ở thí nghiệm tam chữ nhật, dé tài cũngthực hiện so sánh đường phát triển vết nứt thu được với kết quả dự đoán bằng quytrình ứng dụng chuẩn MCSC (Hình 2.13) Kết quả thu được ở bốn mau CT từ môphỏng ANSYS và thực nghiệm có khá nhiều sự tương đồng ở hai mẫu CT1, CT2,CT4 Đối với mẫu CT3 thì kết quả mô phỏng có phần sai khác với thực nghiệm ởcác chu kỳ cuối, điều nay có ảnh hưởng đến độ chính xác tong thé của đường nứt dựđoán Tuy nhiên kết quả mô phỏng vẫn chỉ ra được các hiện tượng mà Viện Đại họcRio đã công bố là "bỏ qua lỗ" (mẫu CT1, CT2, CT3) hay "hướng vào lỗ" (mẫu CT4)của vết nứt khi kết thúc thí nghiệm (Hình 2.14)

23