Электронный научный журнал
 
Diagnostics, Resource and Mechanics 
         of materials and structures
ВыпускиО журналеАвторуРецензентуКонтактыНовостиРегистрация

2022 Выпуск 3

Все выпуски
 
2024 Выпуск 1
 
2023 Выпуск 6
 
2023 Выпуск 5
 
2023 Выпуск 4
 
2023 Выпуск 3
 
2023 Выпуск 2
 
2023 Выпуск 1
 
2022 Выпуск 6
 
2022 Выпуск 5
 
2022 Выпуск 4
 
2022 Выпуск 3
 
2022 Выпуск 2
 
2022 Выпуск 1
 
2021 Выпуск 6
 
2021 Выпуск 5
 
2021 Выпуск 4
 
2021 Выпуск 3
 
2021 Выпуск 2
 
2021 Выпуск 1
 
2020 Выпуск 6
 
2020 Выпуск 5
 
2020 Выпуск 4
 
2020 Выпуск 3
 
2020 Выпуск 2
 
2020 Выпуск 1
 
2019 Выпуск 6
 
2019 Выпуск 5
 
2019 Выпуск 4
 
2019 Выпуск 3
 
2019 Выпуск 2
 
2019 Выпуск 1
 
2018 Выпуск 6
 
2018 Выпуск 5
 
2018 Выпуск 4
 
2018 Выпуск 3
 
2018 Выпуск 2
 
2018 Выпуск 1
 
2017 Выпуск 6
 
2017 Выпуск 5
 
2017 Выпуск 4
 
2017 Выпуск 3
 
2017 Выпуск 2
 
2017 Выпуск 1
 
2016 Выпуск 6
 
2016 Выпуск 5
 
2016 Выпуск 4
 
2016 Выпуск 3
 
2016 Выпуск 2
 
2016 Выпуск 1
 
2015 Выпуск 6
 
2015 Выпуск 5
 
2015 Выпуск 4
 
2015 Выпуск 3
 
2015 Выпуск 2
 
2015 Выпуск 1

 

 

 

 

 

K. A. Mushankova, L. V. Stepanova

ATOMISTIC DETERMINATION OF STRESS FIELDS IN SAMPLES WITH DEFECTS

DOI: 10.17804/2410-9908.2022.3.036-046

The main goal of the study is the atomistic determination of the static stress-strain state at the crack tip in isotropic and anisotropic linearly elastic materials by the molecular dynamics method implemented in the open source LAMMPS (Large-scale Atomistic/Molecular Massively Parallel Simulator). An extensive class of computational experiments has been carried out for a single-crystal copper specimen with a central crack in the LAMMPS. The circumferential distributions of the stress tensor components obtained by molecular dynamics are compared with the angular distributions of brittle fracture continuum mechanics, i.e. with Williams’ analytical solution to the problem of an infinite plate loaded with a central crack in a linearly elastic isotropic material. The comparison of the angular distributions of the stress tensor components gained in the framework of atomistic modeling and the angular distributions obtained from the classical solution of continuum mechanics has shown that, at the nanoscale level, the stress fields are in good agreement with their macroscopic values.

Keywords: molecular dynamics approach, classical fracture mechanics, embedded atom potential (EAM), crack propagation

Bibliography:

  1. Hello G., Tahar M.B., Roelandt J.-M. Analytical determination of coefficients in crack-tip stress expansions for a finite crack in an infinite plane medium. International Journal of Solids and Structures, 2012, vol. 49 (3–4), pp. 556–566. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2011.10.024.
  2. Stepanova L.V., Yakovleva E.M. Mixed-mode loading of the cracked plate under plane stress conditions. Vestnik PNIPU. Mekhanika, 2014, No. 3, pp. 129–162. DOI: 10.15593/perm.mech/2014.3.08. (In Russian).
  3. Rashidi Moghaddam M., Ayatollahi M.R., Berto F. The application of strain energy density criterion to fatigue crack growth behavior of cracked components. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2018, vol. 97, pp. 440–447. DOI: 10.1016/j.tafmec.2017.07.014.
  4. Razavi M.J., Aliha M.R.M., Berto F. Application of an average strain energy density criterion to obtain the mixed mode fracture load of granite rock tested with the cracked asymmetric four-point bend specimen. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 2018, vol. 97, pp. 419–425. DOI: 10.1016/j.tafmec.2017.07.004.
  5. Malíková L., Veselý V., Seitl S. Estimation of the crack propagation direction in a mixed-mode geometry via multi-parameter fracture criteria. Frattura ed Integrità Strutturale, 2015, 9 (33), 25–32. DOI: 10.3221/igf-esis.33.04.
  6. Chandra S., Kumar N.N., Samal M.K., Chavan V.M., Patel R.J. Molecular dynamics simulation of crack growth behavior in Al in the presence of vacancies. Computational Materials Science, 2016, vol. 117, pp. 518–526. DOI: 10.1016/j.commatsci.2016.02.032.
  7. Andric P., Curtin W.A. New theory for Mode I crack-tip dislocation emission. Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 2017, vol. 106, pp. 315–337. DOI: 10.1016/j.jmps.2017.06.006.
  8. Gao Ying-jun, Deng Qian-qian, Huang Li-lin, Ye Li, Wen Zhen-chuan, Luo Zhi-rong. Atomistic modeling for mechanism of crack cleavage extension on nano-scale. Computational Materials Science, 2017, vol. 130, pp. 64–75. DOI: 10.1016/j.commatsci.2017.01.003.
  9. Cui C.B., Beom H.G. Molecular dynamics simulation of edge cracks in copper and aluminium single crystals. Materials Science and Engineering A, 2014, vol. 609, pp. 102–109. DOI: 10.1016/j.msea.2014.04.101.
  10. Stepanova L.V., Roslyakov P.S. Multi-parameter description of the crack-tip stress field: analytic determination of coefficients of crack-tip stress expansions in the vicinity of the crack tips of two finite cracks in an infinite plane medium. International Journal of Solids and Structures, 2016, vols. 100–101, pp. 11–28. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2016.06.032.
  11. Hardy R.J. Formulas for determining local properties in molecular-dynamics simulations: shock waves. Journal Chemical Physics, 1982, vol. 76, pp. 622–628. DOI: 10.1063/1.442714.
  12. Berinskii I.E., Dvas N.G., Krivtsov A.M., et al. Uprugie i teplovye svoystva idealnykh kristallov [Theoretical Mechanics. Elastic Properties of Monoatomic and Diatomic Crystals: educational book, ed., A.M. Krivtsov], St. Petersburg, Izd-vo Politekhn. Un-ta, 2009. (In Russian).
  13. Gaillac Romain, Pullumbi Pluton and Coudert François-Xavier. ELATE: an open-source online application for analysis and visualization of elastic tensors. Journal of Physics: Condensed Matter, 2016, vol. 28 (27), 275201. DOI: 10.1088/0953-8984/28/27/275201.

К. А. Мушанкова, Л. В. Степанова

АТОМИСТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ В ОБРАЗЦАХ С ДЕФЕКТАМИ

Основная цель исследования – атомистическое определение напряженно-деформированного состояния у вершины трещины в изотропном и анизотропном линейно упругих материалах методом молекулярной динамики, реализованным в открытом коде LAMMPS (Large-scale Atomistic/Molecular Massively Parallel Simulator).

Выполнен широкий класс вычислительных экспериментов для пластины из монокристаллической меди с центральной трещиной в LAMMPS. Окружные распределения компонент тензора напряжений, найденные с использованием молекулярно-динамического моделирования, сравниваются с угловыми распределениями континуальной механики хрупкого разрушения – с аналитическим решением М. Уильямса задачи о нагружении бесконечной пластинки с центральным разрезом в изотропном линейно упругом материале. Сопоставление окружных распределений компонент тензора напряжений, извлеченных из атомистического моделирования, и угловых распределений, полученных из классического решения механики сплошных сред, показало, что на наноразмерном уровне поля напряжений хорошо согласуются с их макроскопическими величинами.

Ключевые слова: метод молекулярной динамики, классическая механика разрушения, потенциал погруженного атома, распространение трещины

Библиография:

  1. Hello G., Tahar M. B., Roelandt J.-M. Analytical determination of coefficients in crack-tip stress expansions for a finite crack in an infinite plane medium // International Journal of Solids and Structures. – 2012. – Vol. 49 (3–4). – P. 556–566. – DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2011.10.024.
  2. Степанова Л. В., Яковлева Е. М. Смешанное деформирование пластины с трещиной в условиях плоского напряженного состояния // Вестник ПНИПУ. Механика. – 2014. – № 3. – C. 129–162. – DOI: 10.15593/perm.mech/2014.3.08.
  3. Rashidi Moghaddam M., Ayatollahi M., Berto F. The application of strain energy density criterion to fatigue crack growth behavior of cracked components // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. – 2018. – Vol. 97. – P. 440–447. – DOI: 10.1016/j.tafmec.2017.07.014.
  4. Razavi M. J., Aliha M. R. M., Berto F. Application of an average strain energy density criterion to obtain the mixed mode fracture load of granite rock tested with the cracked asymmetric four-point bend specimen // Theoretical and Applied Fracture Mechanics. – 2018. – Vol. 97 – P. 419–425. – DOI: 10.1016/j.tafmec.2017.07.004.
  5. Malíková L., Veselý V., Seitl S. Estimation of the crack propagation direction in a mixed-mode geometry via multi-parameter fracture criteria // Frattura ed Integrità Strutturale. – 2015. – 9 (33). – P. 25–32. – DOI: 10.3221/igf-esis.33.04.
  6. Molecular dynamics simulation of crack growth behavior in Al in the presence of vacancies / S. Chandra, N. N. Kumar, M. K. Samal, V. M. Chavan, R. J. Patel // Computational Materials Science. – 2016. – Vol. 117. – P. 518–526. – DOI: 10.1016/j.commatsci.2016.02.032.
  7. Andric P., Curtin W. A. New theory for Mode I crack-tip dislocation emission // Journal of Mechanics and Physics of Solids. – 2017. – Vol. 106. – P. 315–337. – DOI: 10.1016/j.jmps.2017.06.006.
  8. Atomistic modeling for mechanism of crack cleavage extension on nano-scale / Ying-jun Gao, Qian-qian Deng, Li-lin Huang, Li Ye, Zhen-chuan Wen, Zhi-rong Luo // Computational Materials Science. – 2017. – Vol. 130. – P. 64–75. – DOI: 10.1016/j.commatsci.2017.01.003.
  9. Cui C. B., Beom H. G. Molecular dynamics simulation of edge cracks in copper and aluminium single crystals // Materials Science and Engineering A. – 2014. – V. 609. – P. 102-109. – DOI: 10.1016/j.msea.2014.04.101.
  10. Stepanova L. V., Roslyakov P. S. Multi-parameter description of the crack-tip stress field: analytic determination of coefficients of crack-tip stress expansions in the vicinity of the crack tips of two finite cracks in an infinite plane medium // International Journal of Solids and Structures. – 2016. – Vols. 100–101. – P. 11–28. – DOI: 10.1016/j.jmps.2017.06.006.
  11. Hardy R. J. Formulas for determining local properties in molecular-dynamics simulations: shock waves // The Journal of Chemical Physics. – 1982. – Vol. 76. – P. 622–628. – DOI: 10.1063/1.442714.
  12. Теоретическая механика. Упругие и тепловые свойства идеальных кристаллов: учеб. пособие / И. Е. Беринский, Н. Г. Двас, А. М. Кривцов, А. М. Кударова, В. А. Кузькин, А. А. Ле-Захаров, О. С. Лобода, И. И. Нейгебауэр, Е. А. Подольская. / под ред. А. М. Кривцова. – СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2009. – 144 с. – ISBN 978-5-7422-2342-9.
  13. Gaillac R., Pullumbi P., Coudert F.-X. ELATE: an open-source online application for analysis and visualization of elastic tensors // Journal of Physics: Condensed Matter. – 2016. – Vol. 28 (27). – 275201. – DOI: 10.1088/0953-8984/28/27/275201.

PDF      

Библиографическая ссылка на статью

Mushankova K. A., Stepanova L. V. Atomistic Determination of Stress Fields in Samples with Defects // Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures. - 2022. - Iss. 3. - P. 36-46. -
DOI: 10.17804/2410-9908.2022.3.036-046. -
URL: http://dream-journal.org/issues/2022-3/2022-3_368.html
(accessed: 19.04.2024).

 

импакт-фактор
РИНЦ 0.42

категория К2
в перечне ВАК

МРДМК 2024
ЦКП Пластометрия
НЭБ РИНЦ
Google Scholar


РНБ
Лань

 

Учредитель:  Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения имени Э.С. Горкунова Уральского отделения Российской академии наук
Главный редактор:  С.В.Смирнов
При цитировании ссылка на Электронный научно-технический журнал "Diagnostics, Resource and Mechanics of materials and structures" обязательна. Воспроизведение материалов в электронных или иных изданиях без письменного разрешения редакции запрещено. Опубликованные в журнале материалы могут использоваться только в некоммерческих целях.
Контакты  
 
Главная E-mail 0+
 

ISSN 2410-9908 Регистрация СМИ в Роскомнадзоре Эл № ФС77-57355 от 24 марта 2014 г. © ИМАШ УрО РАН 2014-2024, www.imach.uran.ru