Primena mehanike loma na procenu integriteta zavarenih konstrukcija od legura aluminijuma

Abstract

U radu je prikazana praktična primena mehanike loma na nastanak i rast zamornih prslina u konstrukcijama zavarenim primenom frikcionog zavarivanja mešanjem (FSW). Poseban naglasak je dat na tankozidne strukture od legura aluminijuma. Razmatran je rast prsline u neojačanamim i ojačanim konstrukcijama. Pri tome je korišćena numerička metoda bazirana na konačnim elementima - tzv. Proširena Metoda Konačnih Elemenata (PMKE). Analiziran je rast prsline u FSW spoju, kroz zone spoja. Pri tome je korišćen software Abaqus, kao i Morfeo za prikaz dobijenih podataka. Primenjeno je zatezno zamorno opterećenje, pri koeficijentu asimetrije cikusa opterećenja R  0 . Svi modeli su sačinjeni od legure aluminijuma 2024-T351. Karakteristike materijala u zonama spoja, kao i geometrijske mere samog FSW spoja su usvojene iz već postojećih eksperimenata. Razmatrano je više modela: Primer br.:1. najjednostavniji primer ploče, linearno-elastična i elastoplastična analiza. Primer br.:2. dvokomponentna ploča, linearno-elastična i elasto-plastična analiza. Primer br.:3. FSW spoj-2D izložen dejstvu većeg, odnosno manjeg zateznog opterećenja. Primer br.:4. ploča sastavljena od dva FSW spoja izložena dejstvu većeg, odnosno manjeg zateznog opterećenja. Primer br.:5. ploča ojačana sa dva FSW T-spoja izložena dejstvu većeg, odnosno manjeg zateznog opterećenja. Kao rezultati proračuna dobijeni su sledeći podaci:  naponsko-deformaciono stanje u konstrukciji, pri čemu je naročita pažnja posvećena zoni u okolini vrha prsline,  koordinate tačaka fronta prsline za svaki korak rasta x, y z,  raspodela faktora intenziteta napona- I K , II K , III K i ekv K duž fronta prsline za svaki korak rasta,  vek konstrukcije u formi promene broja primenjenog ciklusa opterećenja- N za svaki korak rasta prsline. Na bazi dobijenih podataka analizirana je stabilnost širenja prsline kroz strukturu. Takođe, posmatrano je ponašanje linearno-elastičnog i elastoplastičnog materijala. Razmatran je rast prsline iz jedne zone u drugu. Data je uporedna analiza rasta prsline kod neojačanih i ojačanih ploča.

In this work aplication of fracture mechanics principels on initiation and growth of fatigue crack in friction stir welded (FSW) strucutres is presented. Special attention is dedicated to thin-walled structures made from aluminum alloys. Crack growth in unstiffened and stiffened construction is considered by using the numerical method based on finite elements - eXtended Finite Element Method (XFEM). Crack growth in FSW joint is analized through all its zones. Thereby is used software Abaqus, as well as Morfeo for results display. Tension fatigue load is applied, with stress intesity ratio R  0 . All analyzed models are made from aluminum alloy 2024-T351. Material properties in joints zones, and geometry mesures of FSW joint are adopded from available experiments. Following examples are analized: Example No.:1. simple plate, analisis in the area of linear-elastics and elasto-plastics. Example No.:2. plate with two regions, analisis in the area of linearelastics and elasto-plastics. Example No.:3. FSW joint-2D, exposed to effect of higher, apropos lower tension load. Example No.:4. plate made of two FSW joints, exposed to effect of higher, apropos lower tension load. Example No.:5. plate stiffened with two FSW T-joints, exposed to effect of higher, apropos lower tension load. Following results are obtain in numerical computations:  stress-displacement state in construction, where special attention is dedicated to crack tip zone,  points coordinates of crack front x, y z for every progression step,  distributions of stress intensity factors- I K , II K , III K i ekv K along crack front for each progressions step,  construction life in form of chage of applied load number- N for each step of propagation. On the basis of obtained data, analysis of crack growth stability is made. Also, linear-elastics and elasto-plastics behavior of material is observed. Crack growth from one to another zone is considered. Finally, comparative analisys of crack growth in unstiffened and stiffened plates is made.