Generation of mode I stress intensity factor solutions for narrow elliptical-shaped cracks in round bars: a finite element approach

• U. Eibar ^{[2] [1]} ; A. Dorronsoro ^{[2] [1]} ; D. González ^{[2] [1]} ; J. Alkorta ^{[2] [1]} ; J.M. Martínez-Esnaola ^{[2] [1]}
  1. [1] Universidad de Navarra

     Universidad de Navarra

     Pamplona, España

     
  2. [2] CEIT-Basque Research and Technology Alliance (BRTA), Manuel Lardizabal 15, 20018 Donostia/San Sebastián, España
• Localización: Revista española de mecánica de la fractura, ISSN-e 2792-4246, Nº. 9, 2025, págs. 15-20
• Idioma: inglés
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• Resumen
  • español

    Los procedimientos avanzados de mantenimiento predictivo, cada vez más utilizados en la industria, tienen que hacer uso en muchos casos de análisis de tolerancia al daño que simulan la propagación de grietas en componentes y estructuras en base a leyes de la Mecánica de la Fractura. Este tipo de mantenimiento programado aporta beneficios significativos, al determinar los tiempos óptimos de reemplazo de componentes críticos, evitando también fallos catastróficos en la infraestructura de estudio. Este trabajo pretende ahondar en las capacidades de simulación de propagación de grieta combinando herramientas analíticas y numéricas. La Mecánica de la Fractura Elástica Lineal (MFEL) permite analizar la propagación de grietas conjugando los campos de tensiones remotos en el sólido con los Factores de Intensidad de Tensiones (FITs) obtenidos para configuraciones específicas de grietas, aplicando posteriormente leyes de propagación de grietas, como la ley de Paris. De esta manera se evitan procedimientos más complejos y computacionalmente costosos, como el Método Extendido de Elementos Finitos (XFEM). Hasta la fecha, la utilización de FITs tabulados ha facilitado en gran medida el cálculo de la propagación de grietas en diversas geometrías y condiciones de carga. Particularizando al tipo de componente estudiado en este trabajo, la literatura sobre barras redondas presenta una amplia gama de geometrías de grieta, incluyendo grietas circulares, grietas elípticas en forma de almendra y en forma de hoz, así como grietas rectas. Estas geometrías son especialmente relevantes para condiciones de carga de tracción y flexión en Modo I. No obstante, los autores consideran que no existe aún suficiente trabajo alrededor del cálculo de FITs para grietas con formas elípticas estrechas. Aunque en estadios de la propagación más avanzados las formas típicas se aproximen más a la circular, generar estas soluciones para una cierta gama de geometrías de grieta podría ser de gran interés para aquellos casos en los que la forma inicial pueda tener una gran variabilidad. Es por ello que el trabajo presenta soluciones de FITs para el Modo I para grietas de forma elíptica “estrecha” (alto factor de forma profundidad vs. longitud superficial) obtenidas mediante el Método de los Elementos Finitos (MEF).

  • English

    Advanced predictive maintenance procedures, increasingly used in the industry, often require damage tolerance analysis, which simulates the propagation of cracks in components and structures based on the laws of Fracture Mechanics. This type of scheduled maintenance provides significant benefits by determining the optimal times for replacing critical components and also preventing catastrophic failures in the infrastructure under study. This work aims to delve into the crack propagation simulation capabilities by combining analytical and numerical tools. Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) allows for the analysis of crack propagation by combining remote stress fields in the solid with Stress Intensity Factors (SIFs) obtained for specific crack configurations, subsequently applying crack propagation laws such as Paris' Law. This approach avoids more complex and computationally expensive procedures like the Extended Finite Element Method (XFEM). To date, the use of tabulated SIFs has greatly facilitated the calculation of crack propagation in various geometries and loading conditions. Focusing on the type of component studied in this work, the literature on round bars presents a wide range of crack geometries, including circular cracks, almond-shaped and sickle-shaped elliptical cracks, as well as straight cracks. These geometries are especially relevant for Mode I tension and bending loading conditions. However, the authors consider that there is still a lack of SIF solutions for narrow elliptical-shaped cracks. Even if in more advanced stages of propagation the typical shapes approximate circular forms, generating these solutions for a certain range of crack geometries could be of great interest for cases where initial shape may have great variability. Therefore, the work presents Mode I SIF solutions for “narrow” (high depth to surface length aspect ratio) ellipticalshaped cracks obtained through the Finite Element Method (FEM).