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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