عنوان پایان‌نامه
بررسی مقایسه ای بین روش های مختلف تعیین چقرمگی شکست استاتیکی مورد I سنگ ها
- رشته تحصیلی
- مهندسی معدن-مکانیک سنگ
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 2809;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 67703
- تاریخ دفاع
- ۰۲ آذر ۱۳۹۳
- دانشجو
- علی محمد پاکدامن
- استاد راهنما
- مهدی موسوی
- چکیده
- چقرمگی شکست مبین مقاومت در برابر گسترش ترک است و یکی از مهم ترین پارامتر های مکانیک شکستی سنگ ها و سایر مواد می باشد، آزمون های مختلفی جهت تعیین چقرمگی شکست مود I سنگ ها ارائه شده که متاسفانه نتایج آن ها در عمل انطباق مناسبی با یکدیگر ندارند. به منظور بررسی آزمون های مختلف تعیین چقرمگی شکست سنگ ها در مود I و میزان تفاوت آن ها، 6 آزمون نمونه ی استوانه ای با شیار مستقیم، نمونه-ی استوانه ای با شیار چورون، نمونه ی نیم دایره ای با شیار مستقیم، نمونه ی دیسکی با شیار مستقیم، برزیلی و برزیلی مسطح شده انتخاب شدند. نتایج آزمون ها نشان دهنده ی وجود اختلاف حداکثر 42 درصدی بین آزمون های مختلف می باشد. به منظور بررسی علل تفاوت مقادیر چقرمگی شکست، آزمون ها به سه دسته ی نمونه ی استوانه ای با شیار چورون و با شیار مستقیم، نمونه ی نیم دایره ای و دیسکی با شیار مستقیم، برزیلی و برزیلی مسطح شده که شباهت بیش تری به یکدیگر دارند تقسیم شده و مورد بررسی عددی با روش المان محدود سه بعدی قرار گرفتند. ناحیه ی پلاستیک نوک ترک طبق دو معیار مرتبه ی اول و فون میزز برای همه ی آزمون ها محاسبه شد. در کلیه ی آزمون ها به جز آزمون برزیلی و برزیلی مسطح شده طول ناحیه ی پلاستیک تخمین زده شده مطابق با معیار تنش کششی نرمال بیش از معیار فون میزز بود، همچنین شکل ناحیه ی پلاستیک نیز مطابق معیار فون میزز در آزمون های شیاردار، دمبلی شکل بود. در آزمون های برزیلی و برزیلی مسطح شده به دلیل طویل شدگی ترک و نزدیکی آن به شرایط مرزی در تنش های فون میزز اغتشاش ایجاد می شود که سبب غیرقابل اعتماد بودن معیار فون میزز در این دو آزمون به منظور تخمین ناحیه ی پلاستیک نوک ترک می باشد. در بین آزمون های بدون شیار، آزمون برزیلی با توجه به عدم شروع ترک از مرکز نمونه، عدم توزیع یکنواخت بار بر روی نمونه، استفاده از تابع ضریب شدت تنش نامناسب به منظور تعیین چقرمگی شکست و همچنین تاثیر شرایط مرزی بر مقادیر چقرمگی شکست حاصل در نقطه ی محاسبه ی این پارامتر، آزمون مناسبی جهت تعیین چقرمگی شکست نمونه های سنگی نمی باشد. اما در آزمون برزیلی مسطح شده اگرچه نقایص آزمون برزیلی مرتفع شده اند اما مقادیر چقرمگی شکست همچنان به دلیل طویل شدن ترک، متاثر از شرایط مرزی در نقطه ی محاسبه ی چقرمگی شکست می باشد. در بین آزمون های با شیار مستقیم نیز آزمون نمونه ی استوانه ای با شیار مستقیم به دلیل کم تر بودن نسبت ضخامت شیار به طول نمونه و همچنین کم تر بودن نسبت حجم ناحیه ی پلاستیک ایجادی به حجم کل نمونه در اطراف ترک، بهترین آزمون جهت تعیین چقرمگی شکست تشخیص داده شد که البته در آزمون های با شیار مستقیم وجود رشد ناپایدار ترک مهم ترین عیب، جهت تعیین چقرمگی شکست می باشد. در نهایت، در بین 6 آزمون انجام شده، آزمون نمونه ی استوانه ای با شیار چورون با توجه به کم تر بودن ناحیه-ی پلاستیک ایجادی در اطراف ترک، وجود رشد پایدار ترک قبل از نقطه ی محاسبه ی چقرمگی شکست و در نتیجه ایجاد یک ترک طبیعی و بدون ضخامت در نوک شیار، همچنین عدم تاثیر شرایط مرزی بر مقادیر چقرمگی شکست در نقطه ی محاسبه ی آن، بهترین آزمون جهت تعیین چقرمگی شکست نمونه های سنگی میباشد. کلمات کلیدی: چقرمگی شکست سنگ، ضریب شدت تنش، آنالیز المان محدود، ناحیه ی پلاستیک نوک ترک، آزمون های آزمایشگاهی.
- Abstract
- Fracture toughness is one of the most important parameters of fracture mechanics of rocks and other materials and it is about resistance against crack growth. up to now, different tests have been proposed by scientists in order to determine mode I fracture toughness but in practice, the results of them have not any appropriate compliance with each other. In order to analyze and compare different test methods of mode I fracture toughness, 6 test methods are selected in this research which encompasses Single Edge Round Bar Bending test, Chevron Bend test, Semi-Circular Bend test, Straight Notch Disk Bend test, Brazilian test and Flattened Brazilian Disk test. Results showed the difference of at most 42% between mentioned tests. In order to analyze the root cause of different values of fracture toughness, all test categorized in 3 groups including Single Edge Round Bar Bending test & Chevron Bend test, Semi-Circular Bend test & Straight Notch Disk Bend test, Brazilian test & Flattened Brazilian Disk test, and were evaluated with numerical 3D finite element method. In this method, fracture process zone around crack tip calculated for all test methods based on 2 criterions which include normal tensile stress and von mises. In all tests except Brazilian test and Flattened Brazilian test, estimated length of the fracture process zone based on normal tensile stress was more than von mises criterion. In addition, based on the von mises criterion in notched tests, fracture process zone had a dumbbell shape. In contrast, in Brazilian test and flattened Brazilian test, crack elongation and approaching to the boundary condition, cause turbulence in von mises stress which results in unreliability of von mises among 2 mentioned test as a criterion to estimate fracture process zone around crack tip. Among notch less tests, Brazilian disk test, is not an appropriate test in order to determine fracture toughness of rock samples because the crack is not started from the center of sample. beside that lack of uniform load distribution on the sample, utilization of inadequate for stress intensity factor in order to determine fracture toughness and effects of boundary condition on fracture toughness values in calculation point of this parameter made this test as inappropriate in mentioned area. But in Flattened Brazilian test, although mentioned defects of Brazilian test are resolved, the fracture toughness values are affected by boundary condition in spot of fracture toughness calculation because of crack elongation. Among straight notch tests, Single Edge Round Bar Bending test, because of less notch thickness to length ratio of sample and less ratio of fracture process zone size to total size of sample around crack tip, recognized as the best test in order to determine fracture toughness regarding this fact that in straight notch tests, unstable growth of crack is defined as the most important defect in order to determine fracture toughness. To sum up, it needs to be said that. Among all 6 mentioned tests, Chevron Bend test regarding less created fracture process zone around crack tip, stable growth of crack before fracture toughness calculation spot which result in creating a sharp and narrow crack on tip of the notch, no effect of boundary condition on fracture toughness values in calculation spot, is defined as the best test in order to determine fracture toughness of rock samples Key words: rock fracture toughness, stress intensity factor, finite element analysis, fracture process zone, experimental test.
