THE EVOLUTION OF COHESIVE ZONE DURING DYNAMIC GROWTH OF SHEAR CRACKS IN BRITTLE MATERIALS

Shear cracks in brittle materials usually propagate at velocities lower than the Rayleigh wave velocity, but in some cases can exceed this threshold. Processes in the cohesive zone ahead of the crack tip play the key role in crack growth dynamics. The small size of the cohesive zone and the dynamic nature of crack growth in brittle materials complicate their experimental studies and increase importance of numerical modeling. The paper presents the numerical investigations of shear crack propagations in brittle materials, which show how the crack growth dynamics is related to the evolution of the cohesive zone, in particular, to changes in its length and stress state. The study uses the discrete element method and an original fracture model based on the fracture incubation time concept. It is shown that the mode and steady-state value of the crack growth velocity are controlled by stresses in the cohesive zone. In particular, the transition of the crack to the supershear propagation mode is caused by the formation of a daughter crack in the region of maximum tangential stresses in the cohesive zone. It was found that the length of the cohesive zone is not a material constant but it varies during crack growth as a result of periodic redistribution of shear stresses. The characteristics of dynamic oscillations of cohesive zone length are controlled by the parameters of stress variations in the cohesive zone, which are determined by the value of the density of elastic strain energy accumulated in the surrounding volume of the material.

ЭВОЛЮЦИЯ КОГЕЗИОННОЙ ЗОНЫ В ПРОЦЕССЕ ДИНАМИЧЕСКОГО РОСТА ТРЕЩИН ПОПЕРЕЧНОГО СДВИГА В ХРУПКИХ МАТЕРИАЛАХ

Сдвиговые трещины в хрупких материалах, как правило, распространяются со скоростями, меньшими скорости волны Рэлея, но в некоторых случаях способны преодолевать этот порог. Ключевую роль в динамике роста трещины играют процессы в когезионной зоне перед вершиной трещины. Малые размеры когезионной зоны и динамическая природа роста трещин в хрупких материалах затрудняют ее экспериментальное изучение, что делает актуальным применение численного моделирования. В работе численно исследованы особенности роста трещины поперечного сдвига в хрупких материалах и показано, как динамика роста трещины связана с эволюцией когезионной зоны, в частности с изменением ее протяженности и напряженного состояния. Исследование проведено с использованием метода дискретных элементов и оригинальной модели разрушения, основанной на принципах структурно-кинетической теории прочности. Показано, что режим и установившиеся значение скорости роста трещины контролируются напряжениями в когезионной зоне. В частности, переход трещины в сверхсдвиговый режим роста обусловлен образованием дочерней трещины в области максимальных касательных напряжений в когезионной зоне. Установлено, что длина когезионной зоны не является материальной константой, но варьируется в процессе роста трещины в результате постоянного перераспределения сдвиговых напряжений, которое носит периодический характер. Характеристики динамических колебаний длины контролируются аналогичными параметрами изменения напряженного состояния когезионной зоны, которые, в свою очередь, определяются величиной плотности упругой энергии, запасенной в окружающем объеме материала.