Gradientní pružnost - trhlina na rozhraní

Soubory ke stažení

Základní vztahy

Rovnice rovnováhy se v gradientní pružnosti mohou napsat pomocí vektorového zápisu následovně

(1)\[\nabla\cdot(\boldsymbol{T}-\nabla\boldsymbol{\hat{T}}) = 0,\]

kde \(\boldsymbol{T}\) je Cauchyho tenzor napětí a \(\boldsymbol{\hat{T}}\) je dipolární tenzor napětí, pro který platí

(2)\[\boldsymbol{\hat{T}} = l^2\nabla\otimes\boldsymbol{T}.\]

Zde \(l\) značí vnitřní délkový parametr materiálu a tenzorový součin \(\nabla\otimes\boldsymbol{T}\) se může v kartézském souřadnicovém systému daném jednotkovými vektory \((\boldsymbol{e}_x,\boldsymbol{e}_y)\) psát následovně

(3)\[\begin{split}\nabla\otimes\boldsymbol{T} &= \partial_xT_{xx}\boldsymbol{e}_x\otimes\boldsymbol{e}_x\otimes\boldsymbol{e}_x +\partial_xT_{xy}(\boldsymbol{e}_x\otimes\boldsymbol{e}_x\otimes\boldsymbol{e}_y +\boldsymbol{e}_x\otimes\boldsymbol{e}_y\otimes\boldsymbol{e}_x) \\ &+ \partial_xT_{yy}\boldsymbol{e}_x\otimes\boldsymbol{e}_y\otimes\boldsymbol{e}_y +\partial_yT_{xx}\boldsymbol{e}_y\otimes\boldsymbol{e}_x\otimes\boldsymbol{e}_x \\ &+ \partial_yT_{xy}(\boldsymbol{e}_y\otimes\boldsymbol{e}_x\otimes\boldsymbol{e}_y +\boldsymbol{e}_y\otimes\boldsymbol{e}_y\otimes\boldsymbol{e}_x) +\partial_yT_{yy}\boldsymbol{e}_y\otimes\boldsymbol{e}_y\otimes\boldsymbol{e}_y\end{split}\]

a v polárním souřadnicovém systému daného dvojicí jednotkových vektorů \((\boldsymbol{e}_r,\boldsymbol{e}_\theta)\) o něco komplikovaněji

(4)\[\begin{split}\nabla\otimes\boldsymbol{T} &= \partial_rT_{rr}\boldsymbol{e}_r\otimes\boldsymbol{e}_r\otimes\boldsymbol{e}_r +\partial_rT_{r\theta}\boldsymbol{e}_r\otimes\boldsymbol{e}_r\otimes\boldsymbol{e}_\theta \\ &+ \partial_rT_{r\theta}\boldsymbol{e}_r\otimes\boldsymbol{e}_\theta\otimes\boldsymbol{e}_r +\partial_rT_{\theta\theta}\boldsymbol{e}_r\otimes\boldsymbol{e}_\theta\otimes\boldsymbol{e}_\theta \\ &+ \frac{1}{r}(\partial_\theta T_{rr}-2T_{r\theta}) \boldsymbol{e}_\theta\otimes\boldsymbol{e}_r\otimes\boldsymbol{e}_r \\ &+\frac{1}{r}(T_{rr}-T_{\theta\theta}+\partial_\theta T_{r\theta}) \boldsymbol{e}_\theta\otimes\boldsymbol{e}_r\otimes\boldsymbol{e}_\theta \\ &+ \frac{1}{r}(T_{rr}-T_{\theta\theta}+\partial_\theta T_{r\theta}) \boldsymbol{e}_\theta\otimes\boldsymbol{e}_\theta\otimes\boldsymbol{e}_r \\ &+ \frac{1}{r}(2T_{r\theta}+\partial_\theta T_{\theta\theta}) \boldsymbol{e}_\theta\otimes\boldsymbol{e}_\theta\otimes\boldsymbol{e}_\theta.\end{split}\]

Okrajové podmínky mají tvar

(5)\[\begin{split}\boldsymbol{\nu} =& \boldsymbol{n}\cdot(\nabla\otimes\boldsymbol{u}) =(\boldsymbol{u}\otimes\nabla)\cdot\boldsymbol{n}, \\ \boldsymbol{t} =& \boldsymbol{n}\cdot(\boldsymbol{T}-\nabla\cdot\hat{\boldsymbol{T}}) -\overset{s}{\nabla}\cdot(\boldsymbol{n}\cdot\hat{\boldsymbol{T}}) +(\overset{s}{\nabla}\cdot\boldsymbol{n}) \boldsymbol{n}\otimes\boldsymbol{n} :\hat{\boldsymbol{T}} \\ =& \boldsymbol{n}\cdot(\boldsymbol{T}-\nabla\cdot\hat{\boldsymbol{T}}) -\overset{s}{\nabla}\cdot(\boldsymbol{n}\cdot\hat{\boldsymbol{T}}) +(\overset{s}{\nabla}\cdot\boldsymbol{n})\boldsymbol{n} \cdot(\boldsymbol{n}\cdot\hat{\boldsymbol{T}}), \\ \boldsymbol{r} =& \boldsymbol{nn}:\hat{\boldsymbol{T}} =\boldsymbol{n}\cdot(\boldsymbol{n}\cdot\hat{\boldsymbol{T}}),\end{split}\]

kde

(6)\[\overset{s}{\nabla}=(\boldsymbol{I}-\boldsymbol{n}\otimes\boldsymbol{n})\cdot\nabla.\]

Následující vztahy jsou odvozeny v sget3.lyx. V případě kartézského souřadnicového systému s normálou \(\boldsymbol{n}\equiv\pm\boldsymbol{e}_x\) platí

(7)\[\begin{split}\overset{s}{\nabla} &= (\boldsymbol{I}-\boldsymbol{n}\otimes\boldsymbol{n})\cdot\nabla \\ &= (\boldsymbol{e}_x\otimes\boldsymbol{e}_x +\boldsymbol{e}_y\otimes\boldsymbol{e}_y -\boldsymbol{e}_x\otimes\boldsymbol{e}_x) \cdot(\boldsymbol{e}_x\partial_x+\boldsymbol{e}_y\partial_y) \\ &= (\boldsymbol{e}_y\otimes\boldsymbol{e}_y) \cdot(\boldsymbol{e}_x\partial_x+\boldsymbol{e}_y\partial_y) \\ &= \boldsymbol{e}_y\partial_y\end{split}\]

a okrajové podmínky (5) mají tvar

(8)\[\begin{split}\boldsymbol{\nu} &= \pm(\partial_xu_x\boldsymbol{e}_x+\partial_xu_y\boldsymbol{e}_y), \\ \boldsymbol{t} &= \pm\boldsymbol{e}_x(T_{xx}-\partial_x\hat{T}_{xxx}-\partial_y\hat{T}_{yxx} -\partial_y\hat{T}_{xxy}\mp\hat{T}_{xxx}) \\ &\pm \boldsymbol{e}_y(T_{xy}-\partial_x\hat{T}_{xxy}-\partial_y\hat{T}_{yxy} -\partial_y\hat{T}_{xyy}\mp\hat{T}_{xxy}) \\ \boldsymbol{r} &= \boldsymbol{e}_x\hat{T}_{xxx}+\boldsymbol{e}_y\hat{T}_{xxy}.\end{split}\]

V případě normály \(\boldsymbol{n}\equiv\pm\boldsymbol{e}_y\) platí

(9)\[\begin{split}\overset{s}{\nabla} &= (\boldsymbol{I}-\boldsymbol{n}\otimes\boldsymbol{n})\cdot\nabla \\ &= (\boldsymbol{e}_x\otimes\boldsymbol{e}_x +\boldsymbol{e}_y\otimes\boldsymbol{e}_y -\boldsymbol{e}_y\otimes\boldsymbol{e}_y) \cdot(\boldsymbol{e}_x\partial_x+\boldsymbol{e}_y\partial_y) \\ &= (\boldsymbol{e}_x\otimes\boldsymbol{e}_x) \cdot(\boldsymbol{e}_x\partial_x+\boldsymbol{e}_y\partial_y) \\ &= \boldsymbol{e}_x\partial_x\end{split}\]

a

(10)\[\begin{split}\boldsymbol{\nu} &= \pm(\partial_yu_x\boldsymbol{e}_x+\partial_yu_y\boldsymbol{e}_y), \\ \boldsymbol{t} &= \pm\boldsymbol{e}_x(T_{yx}-\partial_x\hat{T}_{xxy}-\partial_y\hat{T}_{yxy} -\partial_x\hat{T}_{yxx}\mp\hat{T}_{yxy}) \\ &\pm \boldsymbol{e}_y(T_{yy}-\partial_x\hat{T}_{xyy}-\partial_y\hat{T}_{yyy} -\partial_x\hat{T}_{yxy}\mp\hat{T}_{yyy}), \\ \boldsymbol{r} &= \boldsymbol{e}_x\hat{T}_{yyx}+\boldsymbol{e}_y\hat{T}_{yyy}.\end{split}\]

V polárním souřadnicovém systému v případě normály \(\boldsymbol{n}\equiv\boldsymbol{e}_rn_r(\theta)+\boldsymbol{e}_\theta n_\theta(\theta)\) platí

(11)\[\begin{split}\overset{s}{\nabla} &= (\boldsymbol{I}-\boldsymbol{n}\otimes\boldsymbol{n})\cdot\nabla \\ &= [\boldsymbol{e}_r\otimes\boldsymbol{e}_r +\boldsymbol{e}_\theta\otimes\boldsymbol{e}_\theta \\ &- (\boldsymbol{e}_r\otimes\boldsymbol{e}_rn_r^2 -\boldsymbol{e}_r\otimes\boldsymbol{e}_\theta n_rn_\theta -\boldsymbol{e}_\theta\otimes\boldsymbol{e}_rn_rn_\theta +\boldsymbol{e}_\theta\otimes\boldsymbol{e}_\theta n_\theta^2)] \cdot(\boldsymbol{e}_r\partial_r+\boldsymbol{e}_\theta\frac{1}{r}\partial_\theta) \\ &= [\boldsymbol{e}_r\otimes\boldsymbol{e}_rn_\theta^2 -\boldsymbol{e}_r\otimes\boldsymbol{e}_\theta n_rn_\theta -\boldsymbol{e}_\theta\otimes\boldsymbol{e}_rn_rn_\theta +\boldsymbol{e}_\theta\otimes\boldsymbol{e}_\theta n_r^2] \cdot(\boldsymbol{e}_r\partial_r+\boldsymbol{e}_\theta\frac{1}{r}\partial_\theta) \\ &= \boldsymbol{e}_r(n_\theta^2\partial_r-n_rn_\theta\frac{1}{r}\partial_\theta) +\boldsymbol{e}_\theta(-n_rn_\theta\partial_r+\frac{1}{r}n_r^2\partial_\theta)\end{split}\]

a také

(12)\[\begin{split}\boldsymbol{\nu} &= \boldsymbol{e}_r[n_r\partial_ru_r+n_\theta\frac{1}{r} (\partial_\theta u_r-u_\theta)] \\ &+ \boldsymbol{e}_\theta[n_r\partial_{r}u_\theta+n_\theta\frac{1}{r}(\partial_\theta u_\theta+u_r)] \\ \boldsymbol{t} &= \boldsymbol{e}_r[n_r\boldsymbol{T}_{rr}+n_\theta\boldsymbol{T}_{r\theta} \\ &- n_r(\partial_r\hat{T}_{rrr}+\frac{1}{r}\partial_\theta\hat{T}_{\theta rr} +\frac{1}{r}\hat{T}_{rrr}-\frac{2}{r}\hat{T}_{\theta r\theta}) \\ &- n_\theta(\partial_r\hat{T}_{rr\theta} +\frac{1}{r}\partial_\theta\hat{T}_{\theta r\theta} +\frac{1}{r}\hat{T}_{rr\theta}+\frac{1}{r}\hat{T}_{\theta rr} -\frac{1}{r}\hat{T}_{\theta\theta\theta}) \\ &- n_\theta^2\partial_r(n_r\hat{T}_{rrr}+n_\theta\hat{T}_{\theta rr}) +n_rn_\theta\frac{1}{r}\partial_\theta (n_r\hat{T}_{rrr}+n_\theta\hat{T}_{\theta rr}) \\ &- 2n_rn_\theta\frac{1}{r}(n_r\hat{T}_{rr\theta}+n_\theta\hat{T}_{\theta r\theta}) \\ &- \frac{1}{r}n_r^2[n_r(\hat{T}_{rrr}-\hat{T}_{r\theta\theta}) +n_\theta(\hat{T}_{\theta rr}-\hat{T}_{\theta\theta\theta})] \\ &- \frac{1}{r}n_r^2\partial_\theta(n_r\hat{T}_{rr\theta}+n_\theta\hat{T}_{\theta r\theta}) +n_rn_\theta\partial_r(n_r\hat{T}_{r r\theta}+n_\theta\hat{T}_{\theta r\theta}) \\ &+ n_r^2\hat{T}_{rrr} +n_rn_\theta(\hat{T}_{\theta rr}+\hat{T}_{rr\theta}) +n_\theta^2\hat{T}_{\theta r\theta}] \\ &+ \boldsymbol{e}_\theta[n_r\boldsymbol{T}_{r\theta} +n_\theta\boldsymbol{T}_{\theta\theta} \\ &- n_r(\partial_r\hat{T}_{rr\theta}+\frac{1}{r}\partial_\theta\hat{T}_{\theta r\theta} +\frac{1}{r}\hat{T}_{rr\theta}+\frac{1}{r}\hat{T}_{\theta rr} -\frac{1}{r}\hat{T}_{\theta\theta\theta}) \\ &- n_\theta(\partial_r\hat{T}_{r\theta\theta}+\frac{1}{r}\partial_\theta\hat{T}_{\theta\theta\theta} +\frac{1}{r}\hat{T}_{r\theta\theta}+\frac{2}{r}\hat{T}_{\theta r\theta}) \\ &+ n_rn_\theta\frac{1}{r}[n_r(\hat{T}_{rrr}-\hat{T}_{r\theta\theta}) +n_\theta(\hat{T}_{\theta rr}-\hat{T}_{\theta\theta\theta})] \\ &+ n_rn_\theta\frac{1}{r}\partial_\theta(n_r\hat{T}_{rr\theta}+n_\theta\hat{T}_{\theta r\theta}) -n_\theta^2\partial_r(n_r\hat{T}_{rr\theta}+n_\theta\hat{T}_{\theta r\theta}) \\ &- \frac{2}{r}n_r^2(n_r\hat{T}_{rr\theta}+n_\theta\hat{T}_{\theta r\theta}) \\ &+ n_rn_\theta\partial_r(n_r\hat{T}_{r\theta\theta}+n_\theta\hat{T}_{\theta\theta\theta}) -\frac{1}{r}n_r^2\partial_\theta(n_r\hat{T}_{r\theta\theta} +n_\theta\hat{T}_{\theta\theta\theta})] \\ &+ \boldsymbol{e}_\theta[n_r^2\hat{T}_{rr\theta}+n_rn_\theta (\hat{T}_{\theta r\theta}+\hat{T}_{r\theta\theta}) +n_\theta^2\hat{T}_{\theta\theta\theta}]\end{split}\]

Předpokládá se izotropní materiál, takže konstitutivní vztah pro tenzor napětí \(\boldsymbol{T}\) se má tvar

(13)\[\begin{split}\boldsymbol{T} &= \lambda\mathrm{Tr}(\boldsymbol{S})\boldsymbol{I} +2\mu\boldsymbol{S} \\\end{split}\]

kde \(\lambda\) a \(\mu\) jsou Lamého konstanty. Jestliže \(\nu\) je Poissonova konstanta, pak

(14)\[\begin{split}\lambda &= \frac{E\nu}{(1+\nu)(1-2\nu)}, \\ \mu &= \frac{E}{2(1+\nu)}.\end{split}\]

Dále, \(\boldsymbol{S}\) je tenzor deformace, pro který v polárních souřadnicích platí, že

(15)\[\begin{split}\boldsymbol{S}=\frac{1}{2}(\nabla\otimes\boldsymbol{u}+\boldsymbol{u}\otimes\nabla) =\left[ \begin{array}{ll} \partial_ru_r & \frac{1}{2}\partial_ru_\theta+\frac{1}{2r}(-u_\theta+\partial_\theta u_r) \\ \frac{1}{2}\partial_ru_\theta+\frac{1}{2r}(-u_\theta+\partial_\theta u_r) & \frac{1}{r}(u_r+\partial_\theta u_\theta) \end{array} \right]\end{split}\]

a \(\mathrm{Tr}\) je trasa tenzoru a \(\boldsymbol{I}\) je jednotkový tenzor druhého řádu, tj.

(16)\[\begin{split}\mathrm{Tr}(\boldsymbol{S}) &= S_{rr}+S_{\theta\theta}, \quad \boldsymbol{I} = \left[ \begin{array}{cc} 1 & 0 \\ 0 & 1 \end{array} \right].\end{split}\]

V úloze o trhlině na rozhraní se vychází z algoritmu popsaného v Gradientní pružnost - trhlina v homogenním materiálu. Rovnice rovnováhy (1) se po dosazení (13) a (15) za předpokladu dominance gradientů deformace může rozepsat do dvou diferenciálních rovnic ve tvaru

(17)\[\begin{split}\nabla^2s_r-\frac{1}{r^2}s_r-2\frac{1}{r^2}\partial_\theta s_\theta &=0, \\ \nabla^2s_\theta-\frac{1}{r^2}s_\theta+2\frac{1}{r^2}\partial_\theta s_r &=0,\end{split}\]

kde

(18)\[\begin{split}s_r &= 2(1-\nu)\partial_r(\partial_ru_r+\frac{1}{r}u_r+\frac{1}{r}\partial_\theta u_\theta) \\ &- (1-2\nu)\frac{1}{r}\partial_\theta(\partial_ru_\theta-\frac{1}{r}\partial_\theta u_r +\frac{1}{r}u_\theta), \\ s_\theta &= (1-2\nu)\partial_r(\partial_ru_\theta+\frac{1}{r}u_\theta -\frac{1}{r}\partial_\theta u_r) \\ &+ 2(1-\nu)\frac{1}{r}\partial_\theta(\partial_ru_r+\frac{1}{r}u_r +\frac{1}{r}\partial_\theta u_\theta).\end{split}\]

Standardní separací proměnných \(r\) a \(\theta\) se řešení (17) předpokládá ve tvaru

(19)\[\begin{split}u_r=r^pU_r(\theta) &= r^p\sum_i \{A_i\cos(p-i)\theta+B_i\sin(p-i)\theta\}, \\ u_\theta=r^pU_\theta(\theta) &= r^p\sum_i \{C_i\cos(p-i)\theta+D_i\sin(p-i)\theta\}.\end{split}\]

Jestliže se označí horní a dolní materiál indexy \(J=I,II\), pak se přímým dosazením (19) do (17) dostane řešení ve tvaru

(20)\[\begin{split}u_r^J &= r\{\Gamma_1^J+\Gamma_2^J\cos2\theta+\Gamma_3^J\sin2\theta\} \\ &+ r^p\{A_1^J\cos(p-1)\theta+B_1^J\sin(p-1)\theta +A_2^J\cos(p+1)\theta+B_2^J\sin(p+1)\theta \\ &+ A_3^J\cos(p-3)\theta+B_3^J\sin(p-3)\theta\}, \\ u_\theta^J &= r\{\Gamma_4^J+\Gamma_3^J\cos2\theta-\Gamma_2^J\sin2\theta\} \\ &+ r^p\{B_4^J\cos(p-1)\theta+A_4^J\sin(p-1)\theta +B_2^J\cos(p+1)\theta-A_2^J\sin(p+1)\theta \\ &+ \frac{(p+1)(\lambda^J+\mu^J)+4\mu^J}{(p-3)(\lambda^J+\mu^J)-4\mu^J} [B_3^J\cos(p-3)\theta-A_3^J\sin(p-3)\theta]\},\end{split}\]

Formulace problému

Následující ukázka je řešení případu trhliny délky \(a\) na rozhraní bi-materiálu o rozměrech \(2a\times 2a\) a zatíženého na horní a dolní hraně normálovým napětím \(\sigma^\infty\). Materiál \(i\) je charakterizován elastickými konstantami \(E_i\), \(\nu_i\) a délkovými parametry \(l_i^2=c_i\).

_images/grad_bitrhlina_.png

Pro rovinnou napjatost jsou zvolené hodnoty jednotlivých veličin následující

(21)\[\sigma^{\infty}=100.00\,\mathrm{MPa},\]
(22)\[a=1.00\,\mathrm{mm},\]
(23)\[\begin{split}\begin{equation} \begin{split} & E_1=0.70\times 10^5\,\mathrm{MPa},\ \nu_1=0.30,\ l_1=\sqrt{c_1}=0.24\times 10^{-1}\,\mathrm{mm}, \\ & E_2=2.10\times 10^5\,\mathrm{MPa},\ \nu_2=0.35,\ l_2=\sqrt{c_2}=0.30\times 10^{-1}\,\mathrm{mm}. \end{split} \end{equation}\end{split}\]

Numerické výsledky

Nejdříve ukázka posuvů jako celek - zvětšeno \(10\times\) (kliknutím se obrázek zvětší).

_images/grad_bitrhlina.png

A detail vrcholu (kořene) trhliny (kliknutím se obrázek zvětší)

_images/grad_bitrhlina_tip.png

Dále průběhy posuvů \(\boldsymbol{u}\), napětí \(\boldsymbol{\sigma}\) a momentů \(\boldsymbol{\tau}\) na kruhové dráze o poloměru

(24)\[r=0.56\times 10^{-1}\,\mathrm{mm}.\]

obklopující vrchol trhliny. Momenty \(\boldsymbol{\tau}\) je třeba brát z rezervou, zatím neumím udělat pěkné hladké křivky. I pro takto mizerný výsledek je nutné velké množství prvků a "pěkná" síť (kliknutím se obrázky zvětší).

_images/mindlin_bicrack_ur.png _images/mindlin_bicrack_up.png _images/mindlin_bicrack_srr.png _images/mindlin_bicrack_srp.png _images/mindlin_bicrack_spp.png _images/mindlin_bicrack_trrr.png _images/mindlin_bicrack_trrp.png _images/mindlin_bicrack_trpp.png _images/mindlin_bicrack_tprr.png _images/mindlin_bicrack_tprp.png _images/mindlin_bicrack_tppp.png