Effect of crack configuration and pre-crack length on stress intensity factors
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Hassan S. M. Hedia
Abstract
In this paper, the results for the stress intensity factor of a mode III (tearing mode) have been investigated using the method of finite element analysis. A compact tension specimen containing a pre-crack and subjected to out-of-plane tearing loads has been used. A three-dimensional finite element analysis (FEA) model using the ANSYS program has been built for specimens made of different bio-medical materials such as stainless steel, titanium, alumina, high density polyethylene(HDPE) and polymethyl methacrylate(PMMA). Such materials are used for hip and knee replacement and for dental implants. The effects of notch angle, notch tip radius and pre-crack length on the stress intensity factor for the mode III have been studied. The model was extended to study the effect of crack and bonding line separation distance on stress intensity factors for specimens made of different homogeneous materials such as stainless steel bonding with epoxy as a filler material. The number of elements along the crack front and crack tip has been varied to determine its effects on the stress intensity factors. It is concluded that the pre-crack must be greater than or equal to 33% of the total crack lengt and the notch must be a blunt notch in order to obtain the stress intensity factor, KIII, independently, of the crack notch angle. However, the stress intensity factor is independent of the crack and bonding line separation distance when it is less than or equal to 15% of the specimen width. The results for the stress intensity factors, KIII, are obtained using a linear elastic fracture mechanics (LEFM) approach.
Kurzfassung
Im vorliegenden Beitrag wird die Ermittlung von Spannungsintensitätsfaktoren für den Bruchmodus III an CT-Proben vorgestellt. Unter Nutzung des Programmes ANSYS wurde ein dreidimensionales FE-Modell aufgestellt für Proben aus verschiedenen Biowerkstoffen, wie hochlegierte Stähle, Titan- und Aluminiumlegierungen sowie HDPE und PMMA. Diese Werkstoffe werden unter anderem für Hüft- und Knieprotesen und für Dentalimplantate verwendet. In der Studie wurden die Auswirkungen des Kerbradius’ und der Anrisslänge auf den Spannungsintensitätsfaktor untersucht. Das ursprüngliche Modell wurde erweitert, um die Auswirkungen des Abstandes zwischen dem Riss und einer Fügelinie zu untersuchen, wie sie bei verschiedenen homogenen Werkstoffen, beispielsweise bei einer Klebverbindung zwischen einem austenitischem Stahl und einem Epoxydharzkleber vorliegt. Es wurde wiederum die Zahl der Elemente an der Rissspitze variiert, um die Effekte der Elementierung auf den Wert des Spannungsintensitätsfaktor zu untersuchen. Es stellte sich heraus, dass zur sicheren Bestimmung des Spannungsintensitätsfaktors unanbhängig vom Risswinkel die Anrisslänge größer 33% der Gesamtrisslänge sein muss und dass es sich um einen runden Kerb handeln muss. Der Spannungsintensitätsfaktor erwies sich als unabhängig vom Abstand zwischen dem Riss und der Fügelinie, wenn dieser weniger als 15% der Probenbreite beträgt. Die Ergebnisse für die Spannungsintensitätsfaktoren KIII wurden mittels der linear elastischen Bruchmechanik ermittelt.
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© 2005, Carl Hanser Verlag, München
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