بررسی رفتار شکست شیشه‌های سیلیسی متحرک تحت تغییرات دمایی گذرا ناشی از سیال ناهمگن پیرامونی، با استفاده از روش اجزاء محدود توسعه یافته

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

3 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

چکیده

در تحقیق حاضر، به­منظور ارائه چارچوب فرمول­بندی کلّی برای مسائل رشد ترک گرمایی با مرز متحرک، با ­استفاده از روش اجزاء­ محدود توسعه­­­یافته، یک ورق­ شیشه­ای سیلیسی ترک­دار که در سیالی ناهمگن در حال حرکت است، مورد ­­بررسی قرارگرفته و اثر پارامترهای مؤثر در فرمول­بندی عددی لحاظ شده­است. بدین­منظور انتقال گرمای رسانشی گذرا با مرزهای متحرک و به­طور همزمان جابجایی گرمایی مرزهای متحرک با سیّال­های متفاوت محیط، توسط اجزاء­محدود توسعه­یافته فرمول­بندی شده و یک دستگاه معادله ماتریسی گرمای گذرا برای آن به­دست آمده­است. همچنین به­منظور محاسبه دقیق میدان­های دمایی، به­وسیله اصلاح و انطباق­ شِمای کرنک-­نیکلسون و با استفاده از معیار پایداری فون-نیومن، درهر گام زمانی، راه­حلی عددی برای دستگاه فوق­الذّکر ارائه شده­است. تمامی مراحل فرمول­بندی مسئله در MATLAB کدنویسی و به­کار گرفته شده­است. به­منظور بررسی کارایی چارچوب فرمول­بندی ارائه­شده، با وارد ­کردن خواص مکانیکی و گرمایی برای شیشه سودالایم، نتایج بدست­آمده با نتایج آزمایشگاهی مقایسه و راستی­آزمایی شده­است. بعد از احراز دقت نتایج، فرایند مذکور برای سایر شیشه­های سیلیسی پرکاربرد انجام­شده و اثر خواص گرمایی و مکانیکی آن­ها بر مد اول ضریب شدت­تنش مورد تجزیه و ­تحلیل قرار گرفته شده­است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Ronsin O., Perrin B., Dynamics of quasistatic directional crack 
      growth. Physical Review E, Vol. 58, No. 6, pp. 7878, 1998.
[2] Yang B., Ravi-Chandar K., Crack path instabilities in a quenched glass plate. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, Vol. 49, No.1, pp. 91–130, 2001.
[3] Yazid A., Abdelkader N., Abdelmadjid H., A state-of-the-art 
      review of the X-FEM for computational fracture mechanics. 
      Applied Mathematical Modelling, Vol. 33, No. 12, pp. 4269–
      4282, 2009.
[4] Belytschko T., Black T., Elastic crack growth in finite elements with minimal remeshing. International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 45, No. 5, pp. 601–620, 1999.
[5] Dolbow J., Belytschko T., A finite element method for crack 
      growth without remeshing. International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 46, No. 1, pp.131–150, 1999.
[6] Stolarska M., Chopp D. L., Moës N., Belytschko T., Modelling 
      crack growth by level sets in the extended finite element method. International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 51, No. 8, pp. 943–960, 2001.
[7] Bordas S., Extended finite element and level set methods with
      applications to growth of cracks and biofilms, PhD Thesis, 
      Northwestern University, 2003.
[8] Osher S., Sethian J. A., Fronts propagating with curvature-
      dependent speed: algorithms based on Hamilton-Jacobi
      formulations. Journal of Computational Physics, Vol. 79, No.1, pp.12–49, 1988.
[9] Duflot M., A study of the representation of cracks with level sets. International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 70, No. 11, pp. 1261–1302, 2007.
[10] Sukumar N., Moës N., Moran B., Belytschko T., Extended finite element method for three‐dimensional crack modelling. International Journal for Numerical Methods in Engineering
        Vol. 48, No. 11, pp. 1549–1570, 2000.
[11] Duflot M., The extended finite element method in thermoelastic fracture mechanic. International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 74, No. 5, pp. 827–847, 2008.
[12] Zamani A., Eslami M. R., Implementation of the extended finite element method for dynamic thermoelastic fracture initiation. International Journal of Solids and Structures, Vol. 47, No. 10, pp. 1392– 1404, 2010.
[13] Yuse A., Sano M., Transition between crack patterns in quenched glass plates. Nature, Vol. 362, No. 6418, pp. 329–331, 1993.
[14] Bouchbinder E., Hentschel H. G. E., Procaccia I., Dynamical
        instabilities of quasistatic crack propagation under thermal stress. Physical Review E, Vol. 68, No. 3, pp. 36601, 2003.
[15] Yoneyama S., Kikuta H., Moriwaki K., Simultaneous observation of phase-stepped photoelastic fringes using a pixelated
        microretarder array. Optical Engineering, Vol. 45, No. 8, pp.  
        83604, 2006.
[16] Sakaue K., Yoneyama S., Kikuta H., Takashi M., Evaluating crack tip stress field in a thin glass plate under thermal load. Engineering Fracture Mechanics, Vol. 75, No. 5, pp. 1015–1026, 2008.
[17] Pais M., Kim N. H., Davis T., Reanalysis of the extended finite 
        element method for crack initiation and propagation. In Proceedings of AIAA Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference, 2010.
[18] Yoneyama S., Sakaue K., Experimental–numerical hybrid stress analysis for a curving crack in a thin glass plate under thermal load. Engineering Fracture Mechanics, Vol. 131, pp. 514–524, 2014.
[19] Bansal N. P., Doremus R. H., Handbook of glass properties,
        Elsevier, 2013.
[20] Westergaard H. M., Bearing pressures and cracks. Journal of
        Applied Mechanics, Vol. 61, pp. A49–A53, 1939.
[21] Williams M. L., On the Stress Distribution at the Base of a
        Stationary Crack, Journal of Applied Mechanics, Vol. 24, No. 1, pp. 109–114, 1957.
[22] Mohammadi S., XFEM fracture analysis of composites, John
        Wiley & Sons, 2012.
[23] Fleming M., Chu Y. A., Moran B., Belytschko T., Lu Y.Y., Gu L., Enriched element-free Galerkin methods for crack tip fields,
        International Journal for Numerical Methods in Engineering,
        Vol. 40, No. 8, pp. 1483–1504, 1997.
[24] Babuška I., Melenk J.  M., The partition of unity method,
        International Journal for Numerical Methods in Engineering,
        Vol. 40, No. 4, pp. 727–758, 1997.
[25] Belytschko T., Moës N., Usui S., Parimi C., Arbitrary
        discontinuities in finite elements, International Journal for
        Numerical Methods in Engineering, Vol. 50, No. 4, pp. 993–1013, 2001.
[26] Bower A. F., Applied mechanics of solids, CRC press, pp. 49-73, 2009.
[27] Hutton D. V., Wu J., Fundamentals of finite element analysis, pp. 131-285,McGraw-Hill, New York, 2004.
[28] Astley R. J., Finite elements in solids and structures, An
        introduction, pp. 102-104, Chapman & Hall (Springer), 1992.
[29] Goli E., Bayesteh H., Mohammadi S., Mixed mode fracture
        analysis of adiabatic cracks in homogeneous and non-
        homogeneous materials in the framework of partition of unity and the path-independent interaction integral, Engineering Fracture Mechanics, Vol. 131, pp. 100–127, 2014.
[30] Hetnarski R. B., Encyclopedia of Thermal Stresses, pp. 1611-1612, Springer Reference, 2014.
[31] Moaveni S., Finite element analysis: theory and application with ANSYS, pp. 445-451, Pearson Education, India, 2003.
[32] Charney J. G., Fjörtoft R., Neumann J. V., Numerical integration of the barotropic vorticity equation, Tellus A, Vol. 2, No. 4, pp. 237-254, 1950.