Dynamic crack growth analysis of aluminum thin plates using analytical and finite element analysis

• Published in: Engineering and Technology Journal Vol. 33; no. 5A; pp. 1065 - 1078
• Main Authors: al-Shamma, Fathi A., Ahmad, Bassam Ali
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Baghdad, Iraq University of Technology 01.06.2015; Unviversity of Technology- Iraq
• Subjects: Aluminum alloys; analysis; crack tip; Cracking; Fatigue; plate; Plates (Engineering); stress; velocity; التكسير; سبائك الألومنيوم
• ISSN: 1681-6900; 2412-0758
• DOI: 10.30684/etj.33.5A.6

In this work, the stresses and dynamic crack growth were studied and analyzed in thin flat plate with a surface crack at the center, subjected to cycling low velocity impact loading for two types of aluminum plates (2024, 6061). Analytical solution using classical plate theory by using Levy solution employed to determine stresses induced in plate due to the impact load. The impact load applied at the center of surface plate, was calculated by Hertzian contact law. Stresses with respect to time at the crack tip and the velocity of crack growth were calculated through elastic plastic fracture mechanics equations. The size of plastic zone around the crack tip which caused by impact loading was found by Dugdal’s model theory. Numerical analysis using program (ANSYS11- APDL) based on finite element method used to analysis the stresses with respect to time at crack tip and then find the velocity of the crack growth under cycling impact loading. The results show that the stresses increase with increasing in the crack length (i.e:160Mpa at 7mm and 175Mpa at 10mm for Al-6061 also 140Mpa at 7mm and 165Mpa at 10mm for Al-2024).. It was found that the cumulative number of cycles leads to increase in the stress values with increasing in crack growth velocity. في ھذا العمل تم دراسة و تحلیل الاجھادات و حركة نمو الشق لصفائح رقیقھ و مستویھ تحتوي على شق سطحي في وسطھا و معرضھ لحمل صدمھ متكرر ذات سرعة منخفضة و لنوعین من سبائك الألمنيوم (2024,6061). الحل التحلیلي و ذلك باستخدام النظریة الكلاسیكیة للصفائح (Levy solution) لحساب الاجھادات المتولدة في الصفائح بالاعتماد على حمل الصدمھ, حیث أن حمل الصدمة ناتج من اصطدام الذراع بمركز سطح الصفیحة و یحسب من قانون (Hertzian) للتلامس. الاجھادات بالنسبھ للزمن عند قمة الشق و سرعة نمو الشق تم حسابھما بمعادلات آلية الكسر المیكانیكي للمرونة و اللدونة, و بما أن حمل الصدمة یسبب وجود المنطقھ اللدنة حول قمة الشق تم استخدام نظریة (Dugdal) لأیجاد حجم ھذه المنطقھ. التحلیل العددي باستخدام برنامج (ANSYS11-APDL) بالاعتماد على طریقة العناصر المحددة و ذلك لتحلیل و حساب الأجھادات بالنسبھ للزمن عند قمة الشق و من ثم حساب سرعة نمو الشق تحت تأثیر حمل الصدمھ المتكرر. و قد أظھرت النتائج بأن ألاجھادات المتولدة تزداد بازدياد طول الشق 160میكاباسكال عند 7ملم و175 میكاباسكال عند 10ملم ل6061و كذلك140میكاباسكال عند 7ملم و165میكاباسكال عند 10 ملم ل2024 كذلك أظھرت بأن عدد الدورات التراكمي یؤدي إلى زیادة قیم الاجھادات و بالتالي زیادة سرعة نمو الشق .