Determining singular and non-singular Williams' expansion terms from full-field measurements: consideration of structural effects on fracture behaviour
Détermination des termes singulier et non-singuliers des séries de Williams via des mesures de champs : Prise en compte des effets de structure sur le comportement à rupture
Résumé
When a cohesive crack propagates within a fiber reinforced composite, the crack tip will potentially be subjected to complex far-field stress. In quasi-brittle or ductile materials, the latter may affect the fracture behavior itself hence predictions simply using Griffith theory may deviate from experience. In this context, we investigated the influence of higher order linear elastic fracture mechanics parameters T and B (translating the nature of far-field stress) on KIC during mode I crack propagation. Full-field measurements are considered using both Digital Image Correlation (DIC) and Williams’ series expansion to obtain KIC, T and B. The objective is to determine KIC by taking into account structural effects with T and B. Metrological aspects are initially assessed to evaluate the error bars for the method when considering realistic experimental biases. In particular, the influence of the projection zone, camera sensor noise and the speckle-like DIC pattern on the evaluation of KIC, T and B were investigated. Quasi-static loading fracture experiments in mode I were ultimately performed on epoxy resin (Hexply®M21) specimens with two different geometries (Tapered Double Cantilever Beam and triangular). It was shown that non-singular terms strongly depend on specimen geometry, inducing some structural effects in the vicinity of the crack tip. The impact of these effects on estimated KIC is ultimately discussed in the light of the results of the metrological assessment.
Lorsqu'une fissure cohésive se propage dans un matériau composite renforcé de fibres, la pointe de la fissure est potentiellement soumise à des champs de contrainte lointains et complexes. Dans les matériaux quasi fragiles ou ductiles, ces dernières peuvent affecter le comportement à rupture, de sorte que les prédictions utilisant simplement la théorie de Griffith peuvent s'écarter de la réalité. Dans ce contexte, nous avons étudié l'influence des paramètres d'ordres supérieurs T et B de la mécanique élastique linéaire de la rupture (traduisant la nature du champ lointain des contraintes) sur le KIC lors d'une propagation d'une fissure en mode I. Des mesures de champs sont considérées en utilisant à la fois la corrélation d'images numériques (CIN) et l'expansion en série de Williams pour obtenir KIC, T et B. L'objectif est de déterminer le KIC en prenant en compte les effets de structure avec T et B. Une analyse métrologique est d'abord réalisée pour déterminer les barres d'erreur liées à la méthode en considérant des biais expérimentaux. En particulier, l'influence de la zone de projection, du bruit du capteur de la caméra et du mouchetis de peinture sur l'évaluation de KIC, T et B a été étudiée. Des essais de fissuration en mode I sous chargement quasi-statique ont finalement été réalisés sur des échantillons de résine époxy (Hexply M21) avec deux géométries différentes (Tapered Double Cantilever Beam et triangulaire). Il a été démontré que les termes non-singuliers dépendent fortement de la géométrie de l'échantillon, induisant certains effets de structure à proximité de la pointe de la fissure. L'impact de ces effets sur KIC estimé est finalement discuté à la lumière des résultats de l'évaluation métrologique.
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