Pole napětí a deformace v okolí trhlin s komplikovanou geometrií čela zatížených ve smykových zátěžných módech - Žák, Stanislav (Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT, 2018)
Tato závěrečná práce je shrnutím výzkumu smykově zatěžovaných trhlin, který proběhl v průběhu čtyř let doktorského studia jejich autora Ing. Stanislava Žáka (Středoevropský technologický institut, Vysoké učení technické v Brně). Předložená práce je zaměřena na prohloubení znalostí v oblasti pokročilé lomové mechaniky, konkrétně pro smykové zatěžování trhlin kombinované s případy geometrických odchylek trhlin od běžně používaných modelů. To mimo jiné znamená návrh nových přístupů a modelů a popis součinitelů intenzity napětí pro geometricky komplikované trhliny. První část práce je věnována shrnutí současných přístupů v lomové mechanice a dále i popisu numerických metod, použitých v dalších výpočtech. Kromě klasických přístupů se tato část textu zabývá i novějším výzkumem zaměřeným na smykové zatěžování trhlin, speciálně pro dva typy zkušebních těles – válcový vzorek s obvodovým vrubem a trhlinou zatížený prostým smykem nebo krutem a CTS těleso umožňující zatížení trhliny v módech I, II a také v jejich kombinaci I+II. Další část textu je zaměřena na konkrétní výpočty lomových parametrů při použití nových modelů s komplikovaným čelem trhliny. Teoretické řešení lomových parametrů pro oba výše zmíněné modely je porovnáno s experimentálními výsledky, získanými v navazujících projektech. U modelu válcového vzorku je popsána možnost zjednodušení budoucích modelů těles s podobným typem komplikované trhliny a současně je na něm popsán lokální vliv zubatosti čela trhliny na indukci lokálního zatížení v módu II při globálním zatížení v módu III. Tyto výsledky jsou přímo propojeny s experimentální kvantifikací únavového šíření lomu při zatížení v módu III. CTS těleso je použito k popisu vlivu drsnosti trhliny na součinitele intenzity napětí. Na tomto modelu je pozorován jak globální pokles hodnoty KII při zvyšující se drsnosti trhliny, tak i lokální změny v namáhání trhliny podél jednotlivých nerovností. Výsledky potvrzují, i pro dosud málo zkoumané smykové zatěžování, že mikrostruktura lomových ploch a čela trhliny má vliv na lomové parametry. Rozšiřují tak současné znalosti v oboru lomové mechaniky popisem geometrického stínění čela trhliny pro zátěžné módy II a III.

This thesis summarizes the extend of research on the shear-modes loaded cracks done in the period of four years of doctoral studies of Ing. Stanislav Žák (Central European Institute of Technology, Brno University of Technology). The actual research aims to improve the scientific view on advanced fracture mechanics, specifically for the shear loading of cracks combined with cases when the geometry of the crack flanks and front doesn’t match with widely used and standardized models. This means proposal of new modelling approaches of geometrically complicated cracks and description of changes in the local stress intensity factors along such cracks. Initial part of the text presents a review of current approaches in the fracture mechanics and numerical methods used in further research. This part emphasizes theoretical methods in general fracture mechanics and also specific shear modes loading, particularly use of the two types of specimens – a special specimen dedicated to mode II loading (compact-tension-shear specimen) with a possibility of mixed-mode I+II loading, and widely used cylindrical specimen with circumferential notch and crack which is able to comprehend mode II and III loading. The second, more extensive part of this thesis concentrates on actual evaluation of conditions along the real-like (tortuous) crack fronts for two types of specimens under the remote shear mode loading. Theoretical solution of fracture parameters for both mentioned specimens is compared to the experimental results obtained in the frame of the follow-up projects. The cylindrical specimen is reviewed from two points of view. The first one is solely about the numerical methods and the simplification of complex numerical models. In the second one, the influence of small asperities along the crack front on local k2 inducement for specimens under the remote mode III loading is observed. The results are directly connected to the experimental measurement of mode III fatigue thresholds values for metallic materials where the local mode II advances of crack front are quantified. On fractures in compact-tension-shear specimen various configurations of crack front and flanks tortuosity are investigated. The global decrease of KII with increasing crack tortuosity is observed and used for correction of mode II fatigue threshold values of metallic materials. Furthermore, the conditions along one particular asperity are investigated. The results confirm that the shear loaded cracks (which were not described suficiently so far) are affected by the crack front and flanks microstructure. Therefore, this work extends the knowledge on roughness-induced shielding of shear loaded cracks.
Deformation and stress fields at the front of shear cracks with complicated geometry
Keywords: CTS vzorek; křivolakost trhliny; lineárně-elastická lomová mechanika; MKP modelování; smykové zátěžné módy; součinitele intenzity napětí; válcový vzorek; compact-tension-shear specimen; crack tortuosity; cylindrical specimen; finite element modeling; linear-elastic fracture mechanics; shear mode loading; stress intensity factors