Applications of dynamic fracture mechanics for the prediction of crack arrest in engineering structures

Abstract

The compatibility of the static and dynamic approaches to crack propagation and arrest is investigated. For clarity, the term “kinetic” is introduced for analyses that focus on the entire crack initiation/propagation/arrest process — as opposed to static analyses which consider only the end points — as dynamic effects are not always significant in a crack run/arrest event. The importance of integrating experimental and computational work in this field is also discussed and a differentiation is given between the ways in which this can be done. An example computation on a thermal shock problem where dynamic effects are minimal, i.e., where the static and kinetic approaches are nearly the same, and a computation for a DCB specimen where significant differences occur between the two approaches are described. It is concluded that the static and kinetic approaches are entirely compatible as long as reflected stress waves do not reach the crack tip prior to crack arrest. But, when this is not the case, it is the kinetic approach that must be used. Similarly, when inelastic effects are important, only the kinetic approach can properly admit them.

Résumé

On étudie la compatibilité des approches statiques et dynamiques pour la propagation et l'arrêt d'une fissure. Pour des raisons de clarification, le terme “cinétique” est introduit dans une analyse qui couvre l'entièreté du processus d'amorçage, propagation et arrêt d'une fissure, par opposition à l'analyse statique qui ne considère que les points terminals et dans la mesure où les effets dynamiques ne sont pas toujours appréciables dans un processus de course et d'arrêt d'une fissure. On discute également l'importance d'intéger le travail expérimental et le travail par calculs dans ce domaine et l'on établit une différence entre les différentes voies qui peuvent être suivies. A titre d'exemple, on établit le calcul pour un problème de choc termique où les effets dynamiques sont minimes, c'est-à-dire où les approches statiques et cinétiques sont à peu près les mêmes et un calcul pour une éprouvette Cantilever où des différences significatives surviennent entre les deux approches. On conclut que les approches statiques et cinétiques sont entièrement compatibles pour autant que les ondes de contrainte réfléchies n'atteignent pas l'extrémité de la fissure avant que ne se produisent son arrêt. Cependant, comme lorsque cela n'est pas le cas, c'est l'approche cinétique qui doit être utilisée. De même, lorsque les effets inélastiques sont importants, seule l'approche cinétique peut les prendre en compte.