Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte – FZKA 7094

A FRACTURE MECHANICS ANALYSIS OF THE DCDC SPECIMEN

T. Fett, G. Rizzi

Abstract
The “double cleavage drilled compression” (DCDC) specimen is a rectangular bar with a circular hole in its centre that is loaded by compressive stresses. Due to the hole, positive stresses are generated in the vicinity that cause positive mode-I stress intensity factors. This specimen is used for the determination of crack growth under mode-I and in a modified version under mixed-mode loading conditions. A fracture mechanics analysis is presented on the basis of finite element computations. After compilation of literature results on mixed-mode stress intensity factors and T-stresses, weight functions for mode I and mode II are derived. The consequences of load misalignment and crack kinking are shown. Since stress intensity factor results from literature are available for long cracks compared with the hole radius only, also short-crack solutions are derived by use of the weight function technique. These results al-low to discuss the generation of the initial cracks necessary for fracture mechanics tests.

In several papers, the side surface displacements were reported and discussed with respect to the occurrence of plasticity effects in glass. In order to decide whether deviations from the pure linear-elastic material behaviour are measured, it is necessary to know the elastic response. Therefore, a 3-dimensional finite element study is performed.

It exhibits depression and uplifting of the free surface very similar to the re-sults found in literature.

Eine bruchmechanische Analyse der DCDC-Probe

Zusammenfassung
Die DCDC-Probe besteht aus einem rechteckigen Stab mit mittig gebohrtem zylindrischen Loch, der in Stablängsachsenrichtung mit Druck belastet wird. Aufgrund des Loches werden in dessen Umgebung Zugspannungen erzeugt, die bei Anwesenheit von Rissen zu positiven Spannungsintensitätsfaktoren KI führen. Die DCDC-Probe wird für bruchmechanische Versuche unter reiner Mode-I-Beanspruchung und in einer modifizierten Version mit exzentrischer Lochanordnung für Mixed-Mode-Versuche verwendet.

Nach einer Zusammenstellung von Literaturlösungen für die Spannungsintensitätsfaktoren KI und KII sowie die T-Spannung werden die beiden Gewichtsfunktionen hI und hII ermittelt. Es werden dann der Einfluss einer Exzentrizität der Lastaufbringung und die Auswirkung einer Rissabknickung betrachtet.Während in der Literatur nur die bruchmechanischen Belastungsgrößen für relativ lange Risse (ein Vielfaches des Lochradius) verfügbar sind, werden zur Beschreibung der Rissinitiierungsphase auch Lösungen für kleine Risse benötigt. Diese werden mittels der Gewichtsfunktion bestimmt.

In neueren Publikationen werden mit dem Atomkraftmikroskop aufgenommene Höhenprofile auf den Seitenflächen dazu verwendet, einen Plastizitätseffekt bei Glas zu diskutieren. Hierzu ist aber unabdingbar, die durch rein linear-elastisches Materialverhalten nahe der Rissspitze erzeugten Höhen-Profile zu bestimmen. Es wurden hierzu 3-D-Rechnungen mittels finiter Elemente durchgeführt. Diese führten zu Höhenprofilen, die gleiche Charakteristiken wie die Experimente aufweisen.

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