Numerical Predictions of Evolving Crack Front Geometry and Fatigue Life from Countersunk Holes in Thin Plates

Abstract

The study of fatigue crack growth for damage tolerance analysis is of interest to the aerospace industry to enable accurate and economical estimates of a component’s life before replacement or repairs are required. Many numerical analyses used for damage tolerance employ a series of assumptions that enable results to be generated quickly at the cost of accuracy. With advances in computational power and numerical analyses some of these assumptions, such as crack shape, are not necessary and not including the assumptions in the analysis result in more accurate fatigue predictions. This thesis presents the development and application of an automated crack growth program, called the ACGP, to predict crack growth and fatigue life in non-standard geometries, where the shape of the crack front is determined iteratively. The ACGP was developed using a simulated growth technique and employed finite element analysis and Paris growth equations to predict fatigue crack growth of cracks in thin plates. The ACGP was validated for predictions of fatigue life and crack growth that were found to agree with experimental and accepted numerical results. The predictions were also compared to results generated using the fatigue crack growth program AFGROW and differences and similarities are presented. Models were also created to predict crack growth emanating from countersunk fastener holes in thin plates. Assessment and comparison of the results are presented, identifying the growth pattern, critical initial location and the effect of geometric properties on the fatigue life.

L’étude de la résistance, la durabilité et la tolérance aux dommages des matériaux est d’intérêt à la communauté aérospatiale pour améliorer la sécurité et estimer de la durée de vie de composantes en avance d’un remplacement ou d’une réparation. Plusieurs des méthodes numériques employées pour l’analyse de la tolérance aux dommages utilisent des hypothèses simplificatrices permettant un calcul rapide au dépend de la précision. Des progrès en informatique et en analyse numérique ont rendu certaines de ces simplifications redondantes, tel que la géométrie des fissures, et, en conséquence, les prédictions de la vie en fatigue sont devenues plus précises. Cette thèse discutera du développement et l’application d’un programme informatique capable de prédire la propagation des fissures et la résistance en fatigue pour les cas de géométries hors norme, où la géométrie de la fissure est déterminée de façon itérative. Le programme de prédiction automatisé de propagation de fissure, appelé ACGP, emploi une technique de simulation de propagation, une méthode des éléments finis et les équations de croissance de Paris pour prédire la propagation des fissures dans un plaque mince. Les prédictions de l’ACGP de la vie en fatigue et la propagation des fissures se comparent bien avec des résultats expérimentaux et numériques. Les résultats de l’ACGP ont été aussi validés contre ceux du programme informatique en analyse de fatigue AFGROW, et les similarités et différences sont présentées. De plus, la modélisation par éléments finis est employée pour prédire la propagation de fissures débutant des trous chanfreinés dans les plaques minces. L’évaluation et comparaison des résultats sont présentées, résultant en une identification du modèle de croissance, une détermination du point initial critique de la fissure et l’effet des propriétés géométriques sur la durée de vie de fatigue.