Nyt computerprogram forudsiger crack-initiering i 3-D

De fleste strukturer og materialer har defekter, og hvis betingelserne er rigtige, disse defekter kan føre til initiering og udbredelse af revner. At finde ud af, hvor og med hvilken orientering en overfladerevne med størst sandsynlighed vil begynde, er en kritisk del af analyse og design af en struktur. En vigtig størrelse at beregne i denne type analyse er energifrigivelseshastigheden, som er den tilgængelige energi til revnedannelse. Energifrigivelseshastigheden sammenlignes med brudsejheden, en materialegenskab, der beskriver den energi, der kræves for, at en revne kan forplante sig.

Beregning af energifrigivelseshastigheden for de uendelige potentielle placeringer og orienteringer af en overfladerevne i en 3D-struktur ved hjælp af konventionelle metoder er en udtømmende opgave, fordi der skal udføres en detaljeret analyse for hver revneplacering og orientering. En ny metode udviklet af forskere ved University of Illinois i Urbana-Champaign kan udpege placeringen og retningen af ​​en kritisk revne i en struktur med en enkelt analyse.

"Denne nye metode giver os mulighed for at forenkle analysen enormt, fordi i stedet for at skulle lave en analyse for hver eneste potentielle placering af en revne langs overfladen af ​​en bestemt struktur, vi udfører en enkelt analyse af det ikke -revnede domæne, hvilket er meget billigere og hurtigere at løse. Dette reducerer mængden af ​​beregningsarbejde med størrelsesordener, sagde Philippe Geubelle, en professor i Institut for Aerospace Engineering.

For at få et præcist estimat af energifrigivelseshastigheden, den nuværende metode kræver en numerisk analyse med et meget fint gitter for at diskretisere strukturen, især i nærheden af ​​revnen. Geubelle sagde, at denne nye metode bruger topologiske derivater til at få et skøn over, hvad energifrigivelsen ville være, hvis en revne dukkede op på et hvilket som helst sted og med denne orientering langs overfladen af ​​en 3D-struktur.

"Ved hjælp af denne teknik, vi kan øjeblikkeligt udpege den placering og orientering, der svarer til den højeste energifrigivelseshastighed - hvilket betyder den højeste energi, der er tilgængelig for sprækkeudbredelse. Hvis energifrigivelseshastigheden er mindre end brudstyrken, revnen vil ikke forplante sig. Imidlertid, hvis energifrigivelseshastigheden nærmer sig værdien af ​​brudsejheden, så skal strukturen redesignes."

Den nye metode kan kombineres med kommercielle finite element softwarepakker såsom Ansys, Abaqus, og Nastran.

"Hvad denne metode giver os mulighed for, er at sige, 'giv mig en kompliceret form og komplekse belastningsforhold, og vi vil fortælle dig det mest sandsynlige sted, hvor en overfladerevne vil begynde.'" sagde Geubelle.

Studiet, "Energifrigivelseshastighed tilnærmelse for små overfladerevner i tredimensionelle domæner ved hjælp af den topologiske afledte, " blev skrevet af Kazem Alidoost, Meng Feng, Philippe H. Geubelle, og Daniel A. Tortorelli. Det fremgår af Journal of Applied Mechanics .