ИДЕНТИФИКАЦИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ ИНТЕНСИВНОСТИ НАПРЯЖЕНИЙ, T-НАПРЯЖЕНИЙ И КОЭФФИЦИЕНТОВ РЕГУЛЯРНЫХ СЛАГАЕМЫХ ВЫСОКОГО ПОРЯДКА В РАЗЛОЖЕНИИ УИЛЬЯМСА С ПОМОЩЬЮ МОЛЕКУЛЯРНО-ДИНАМИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Сведения об авторах
  • Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, Самара, Россия
  • Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева, Самара, Россия

Аннотация

Описано опыт применения метода молекулярной динамики для анализа поля напряжений в медной пластине с одним боковым горизонтальным и наклонным надрезами. Моделирование, основанное на методе молекулярной динамики и реализованное в классическом коде молекулярной динамики Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator (LAMMPS), направлено на оценку параметров континуальной механики хрупкого разрушения, таких как коэффициенты интенсивности напряжений, T-напряжения и коэффициенты слагаемых более высокого порядка ряда Макса Уильямса, аппроксимирующего поле напряжений вблизи острия надреза для нормального разрыва (мода I), поперечного сдвига (мода II) и смешанного нагружения образца с одним боковым надрезом в условиях линейно-упругого деформирования. Ключевой целью исследования является сравнение континуального и атомистического подходов для оценки полей напряжений вблизи устья надреза на примере одной из наиболее распространенных конфигураций образцов с трещинами и надрезами. Коэффициенты интенсивности напряжений, T-напряжения и коэффициенты регулярных слагаемых более высокого порядка в асимптотическом представлении Уильямса механических величин в медной пластине с одним боковым надрезом при нормальном отрыве и смешанном нагружении оцениваются с помощью дискретного подхода (атомистического моделирования) и континуального подхода (метода конечных элементов). Выполнен широкий класс молекулярно-динамических вычислений в LAMMPS. Атомистические значения коэффициентов интенсивности напряжений и коэффициентов неособых слагаемых более высокого порядка ряда Уильямса вычислены и сопоставлены со значениями, полученными из конечно-элементных решений. Показано, что континуальная теория разрушения успешно описывает поля вблизи вершины трещины даже при чрезвычайно ограниченном поле сингулярных напряжений, составляющем всего несколько нанометров. Угловые распределения компонент напряжений извлекаются из атомистического моделирования и сравниваются с угловыми распределениями напряжений континуальной механики линейного упругого разрушения. Сравнение показывает хорошее соответствие между двумя подходами.

Ключевые слова

молекулярно-динамическое моделированиекоэффициент интенсивности напряженийT-напряжениякоэффициенты регулярных слагаемых более высокого порядка ряда М. Уильямсасмешанное нагружениеклассическая механика разрушения

Литература

  1. 1.Ritchie R.O., Liu D. Introduction to fracture mechanics // Elsevier, 2021. Scholar
  2. 2.Breakdown of Continuum Fracture Mechanics at the Nanoscale / T. Shimada, K. Ouchi, Y. Chihara, T. Kitamura // Sci Rep. – 2015. – No 8596. DOI: 10.1038/srep08596 Scholar
  3. 3.Hello G. Derivation of complete crack-tip stress expansions from Westergaard-Sanford solutions // International Journal of Solids and Structures. – 2018. – Vol. 144–145. – Р. 265–275. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2018.05.012 Scholar
  4. 4.Karihaloo B.L., Xiao Q.Z. Accurate determination of the coefficients of elastic crack tip asymptotic field by a hybrid crack element with p-adaptivity // Engineering Fracture Mechanics. – 2001. – Vol. 68, no. 15. – P. 1609–1630. DOI: 10.1016/S0013-7944(01)00063-7 Scholar
  5. 5.Benito deCelis, Argon Ali S. Molecular dynamics simulation of crack tip processes in alpha-iron and copper // Journal of Applied Physics. – 1983. – Vol. 54. – P. 4864. DOI: 10.1063/1.332796. Scholar
  6. 6.Buehler M.J., Gao H.J., Huang Y. Atomistic and continuum studies of stress and strain fields near a rapidly propagating crack in a harmonic lattice // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. – 2004 – Vol. 41. – Р. 21–42. DOI: 10.1016/j.tafmec.2003.11.022 Scholar
  7. 7.Cheng S.H., Sun C.T. Applicability of continuum fracture mechanics in atomistic systems // Proc. ASME. IMECE2011. – 2011. – No 8. – Р. 283–288. DOI: 10.1115/IMECE2011-63478 Scholar
  8. 8.Wilson M.A., Grutzik S.J., Chandross M. Continuum stress intensity factors from atomistic fracture simulations // Comput. Methods Appl. Mech. Engrg. – 2019. – No. 354. – P. 732–749. DOI: 10.1016/j.cma.2019.05.050 Scholar
  9. 9.Roy S., Roy A. A computational investigation of length-scale effects in the fracture behaviour of a graphene sheet using the atomistic J-integral // Engineering Fracture Mechanics. – 2019. – No. 207. – P. 165–180. DOI: 10.1016/j.engfracmech.2018.12.012 Scholar
  10. 10.Tsai J.-L., Tzeng S.-H., Tzou Y.-J. Characterizing the fracture parameters of a graphene sheet using atomistic simulation and continuum mechanics // International Journal of Solids and Structures. – 2010. – No. 47. – P. 503–509. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2009.10.017 Scholar

Другие статьи выпуска

Весь выпуск (№ 2, 2023)
Скачать PDF

Информация о статье

Опубликована
23.06.2023
В выпуске
23.06.2023
Выпуск
№ 2 (2023)
Поделиться