مطالعات آزمايشگاهي و عددي در تعيين اثر عرض ترك بر چقرمگي شكست حالت اول نمونه‌هاي استوانه‌اي جدار ضخيم

Experimental and Numerical Studies of Effect of Notch Width on Mode-I Fracture Toughness in Thick-walled Cylindrical Specimens

سه حالت جابجایی ترك وجود دارد. حالت اول یا حالت بازشدگی كه سطوح ترك در جهت عمود بر سطح ترك جدا می­شوند. حالت دوم یا حالت برشی كه در این حالت جابجایی وجوه ترك در صفحه ترك ولی عمود بر جبهه ترك است و حالت سوم یا حالت  لغزش و پاره­شدگی است كه در این حالت جابجایی وجوه ترك در صفحه ترك و موازی با جبهه ترك است. برخی از كاربردهای مكانیك شكست سنگ در شكست هیدرولیكی، برش و انفجار در سنگ، حفاری مكانیزه، پایداری شیروانی سنگی و خردایش مواد معدنی است. هدف اصلی این تحقیق بررسی اثر عرض ترك بر روی چقرمگی شكست حالت اول استوانه توخالی جدار ضخیم نمونه‌های مارنی است كه به شكل یك چاه نفت در آزمایشگاه شبیه‌سازی می‌شود. نمونه‌های مارنی از سازند بنگستان واقع در قسمت جنوب و جنوب غربی ایران تهیه شده است. برای انجام آزمایش در نمونه‌هایی به قطر خارجی 73 میلی‌متر و قطر داخلی 25 میلی‌متر و ارتفاع 150 میلی‌متر دو ترك مصنوعی با ابعاد مشخص به‌صورت متقارن ایجاد شد. پس از اعمال تنش سه محوری بر روی نمونه ها فشار لازم برای گسیختگی بر روی نمونه‌های دارای ترك‌های مصنوعی اندازه گیری شد. سه آزمایش سه محوری برای بررسی اثر عرض ترك بر روی چقرمگی شكست حالت اول انجام شد. دو نرم‌افزار اجزای محدود ABAQUS و ANSYSبرای تعیین چقرمگی شكست حالت اول و دو نرم‌افزارExcelو SPSS برای بررسی تغییرات چقرمگی شكست در اثر تغییر عرض ترك استفاده شد. در نهایت با انجام سه آزمایش این نتیجه حاصل شد كه با افزایش 50 درصدی عرض ترك  چقرمگی شكست 20 درصد كاهش می‌یابد. در ضمن با افزایش خطی عرض ترك چقرمگی شكست به‌صورت خطی كاهش می‌یابد.

There are three notch displacement modes including the Mode I or opening mode where the notch displacement is perpendicular to the notch front, Mode II or shear mode where notch dimensions are displaced in the notch plane and the Mode III or tear mode where the notch dimensions are displaced in the notch plane parallel to the notch front. Some application areas of rock fracture mechanics can be listed as hydraulic fracturing, rock blasting, rock cutting, mechanized drilling, rock slope stability and comminution in mineral processing. The aim of the present study was to examine the effect parameter of width on the mode ICritical Stress Intensity Factor (Critical SIF) using a thick-walled hollow cylindrical marly specimen and the oil well environment was simulated in the laboratory. The marly specimens were prepared from the Bangestan formation in southern and southwestern Iran. To perform the tests, two artificial symmetrical notches with certain dimensions were created in specimens with an outer diameter (OD) of 73 mm, an inner diameter (ID) of 25 mm and a height of 150 mm. A triaxial stress was applied on the specimen and the pressure required for the propagation of the artificial notches was measured. Three tests were conducted to investigate the effect of notch width on the mode I Critical SIF. Two finite element software including ABAQUS 6.12 and ANSYS 14 were used for calculating I Critical SIF.  Excel and SPSS softwares were used for investigating the effect of notch width on the mode I Critical SIF. By conducting three tests, it was concluded that with an increase of 50 percent of the notch width, mode I Critical SIF decreases 20 percent. Meanwhile, it was found that the mode I Critical SIF linearly decreased with an increase in the notch width.